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Design de mesas de direção (Triple Clamps)
para motociclos
Helder Marques Gonçalves Cavalheiro da Costa
Dissertação do MIEM
Orientadores na FEUP:
Professor António Torres Marques
Professor António Joaquim Mendes Ferreira
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Julho de 2013
© Helder Marques,2013
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
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Resumo
Nos tempos atuais, existe uma crescente demanda na redução do peso das estruturas. No
campo da indústria automóvel e de motociclos, essa redução prende-se com o aumento do
preço dos combustíveis. Uma diminuição no peso global de um veículo resulta em menores
consumos de combustível e um consequente menor impacto ambiental. Necessita-se assim de
substituir as soluções convencionais por soluções com materiais mais leves, mas que
apresentem a mesma performance. Surge assim o interesse no uso de materiais compósitos
em estruturas primárias de veículos, nomeadamente com fibra de vidro e de carbono.
O presente trabalho refere-se à possibilidade de introduzir materiais compósitos num
componente pertencente à suspensão dianteira de motociclos. Sendo o componente original de
alumínio, torna a tarefa ainda mais desafiante, uma vez que a sua eficácia estrutural é elevada.
Neste tipo de estudo, devem ser consideradas inúmeras variáveis e restrições, verificando se é
ou não viável seguir por uma determinada via. Para este caso, foi estudada a viabilidade da
introdução de um composto de moldação baseado em pré-impregnados de fibra de carbono
(HexMC), cuja resistência específica é um dos seus maiores pontos de vantagem em relação
aos alumínios.
Foram estudadas algumas das situações típicas durante uma viagem de motociclo:
aceleração máxima, travagem máxima na roda dianteira, travagem máxima na roda traseira,
curva e impacto. Dentro deste grupo, aquelas que acarretam maiores esforços ao conjunto
dianteiro são as situações de travagem máxima na roda dianteira e de impacto. Para
determinar as tensões e deslocamentos no componente, foi utilizado o software de elementos
finitos Abaqus.
Não menos importante é também a definição dos processos de fabrico, que devem ter em
conta todas as considerações de projeto inerentes à substituição do alumínio por este
composto de moldação. Aliada aos processos de fabrico, também deve ser feita uma análise
de custos, de forma a verificar a viabilidade do projeto.
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Resumo
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Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
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Abstract
In current times, there is a growing demand for lightweight structures. In the field of
automobile and motorcycle industry, this reduction is related to the increasing fuel prices. A
decrease in the overall weight of a vehicle results in lower fuel consumption and consequent
reduced environmental impact. Thus, there is a need to replace conventional solutions with
solutions with lighter materials, which have the same performance. This leads to the interest in
the use of composite material in primary structures of vehicles, including fiberglass and carbon
fiber.
The present study is related to the possibility of introducing composite material in a
component that belongs to the front suspension of motorcycles. Since the original component is
made of aluminum, it makes the task even more challenging, since its structural efficiency is
high. In this type of study, it should be considered several variables and constraints, checking
whether it is feasible to follow a given path. For this case, it was studied the viability of
introducing a molding compound based on pre-impregnated chopped carbon fiber (HexMC),
whose specific resistance is one of its biggest points of advantage over aluminum.
Some of the typical situations during a motorcycle trip have been studied: maximum
acceleration, maximum braking on the front wheel, maximum braking on the rear wheel, turn
and impact. From this group, those that lead to bigger efforts in the front assembly are the
situations of maximum braking on the front wheel and impact. To determine the stresses and
displacements in the component, the finite element software Abaqus was used.
No less important is also the definition of manufacturing processes, which must take into
account all design considerations inherent to the replacement of aluminum by this molding
compound. Coupled with the manufacturing processes, should also be done a cost analysis in
order to verify the feasibility of the project.
iii
Abstract
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Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
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Agradecimentos
Em primeiro lugar, quero agradecer ao Professor António Torres Marques a constante
disponibilidade e o sentido crítico que me permitiu que o presente trabalho atingisse os seus
objetivos. Quero agradecer igualmente ao Professor António Joaquim Mendes Ferreira pela
disponibilidade e conhecimento transmitido.
Agradeço a todos os meus colegas de Faculdade que me acompanharam ao longo deste
percurso, tanto pelas críticas construtivas que me fizeram como pelos momentos de
descontração e partilha de conhecimentos na mais diversas áreas.
Agradeço ainda aos amigos de toda a vida que sempre confiaram no meu valor e
qualidade, assim como por todos os momentos vividos.
Finalmente, quero agradecer aos meus Pais, por todo o apoio e pelo que me
proporcionaram ao longo deste caminho.
v
Agradecimentos
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Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
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Índice
1
INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 1
2
REVISÃO DA LITERATURA ................................................................................................. 3
2.1
Desenvolvimento Integrado de Produto ........................................................... 3
2.2
Definição de Motociclo ...................................................................................... 8
2.3
Cinemática e Dinâmica de Motociclos ............................................................ 10
2.4
2.3.1
Forças .............................................................................................. 10
2.3.2
Movimentos ..................................................................................... 11
2.3.3
Dinâmica Lateral .............................................................................. 11
Sistema de Suspensão Dianteira .................................................................... 13
2.4.1
2.5
“Triple Clamps” ................................................................................ 18
Materiais Compósitos e substituição do Alumínio .......................................... 21
2.5.1
O que é um material compósito? ..................................................... 21
2.5.2
Interesse no uso de materiais compósitos ...................................... 25
2.5.3
Exemplos de substituição de soluções convencionais por materiais
compósitos ....................................................................................... 25
3
2.5.4
Exemplos de aplicação dos compósitos ......................................... 26
2.5.5
Substituição do alumínio por materiais compósitos ........................ 27
2.5.6
Processos de Fabrico de Compósitos de Matriz Polimérica ........... 30
2.5.7
Processos de Fabrico do componente em Alumínio ....................... 36
PROJETO E SIMULAÇÃO NUMÉRICA ................................................................................ 41
3.1
Análise de Forças num Motociclo ................................................................... 42
3.1.1
Aceleração Máxima ......................................................................... 43
3.1.2
Máxima Travagem na Roda Dianteira ............................................. 45
3.1.3
Máxima Travagem na Roda Traseira .............................................. 45
3.1.4
Quando o motociclo está em curva ................................................. 47
3.1.5
Forças externas (Resumo) .............................................................. 48
3.2
Triple Clamp Testado ...................................................................................... 49
3.3
Materiais Testados .......................................................................................... 50
vii
Índice
____________________________________________________________________________________
4
3.3.1
Al 6061-T6 ....................................................................................... 51
3.3.2
Al 7075-T6 ....................................................................................... 52
3.3.3
HexMC ............................................................................................. 53
3.4
Aplicação de Elementos Finitos ...................................................................... 56
3.5
Resultados obtidos .......................................................................................... 57
3.6
Identificação das frequências naturais ............................................................ 60
3.7
Impacto ............................................................................................................ 63
3.8
Considerações de projeto ............................................................................... 67
PROCESSOS DE FABRICO E ANÁLISE DE CUSTOS ............................................................ 69
4.1
Processo de fabrico HexMC ........................................................................... 69
4.2
Análise de Custos ........................................................................................... 72
5
DISCUSSÃO DE RESULTADOS E TRABALHOS FUTUROS .................................................... 75
6
CONCLUSÕES ................................................................................................................ 77
REFERÊNCIAS ......................................................................................................................... 79
ANEXO A
PARÂMETROS GEOMÉTRICOS DE UM MOTOCICLO ................................................ 81
ANEXO B
CARACTERÍSTICAS YAMAHA YZF-R1 2000 ........................................................ 85
ANEXO C
CÁLCULO DE FORÇAS EXTERNAS ...................................................................... 87
C.1
Regime estacionário........................................................................................ 87
C.2
Aceleração Máxima ......................................................................................... 88
C.3
Máxima travagem na roda dianteira ................................................................ 88
C.4
Máxima travagem na roda traseira ................................................................. 89
C.5
Quando o motociclo está em curva ................................................................. 90
ANEXO D
CÁLCULO DE FORÇAS PARA APLICAÇÃO NO SOFTWARE DE ELEMENTOS FINITOS . 91
D.1
Máxima travagem na roda dianteira ................................................................ 91
D.2
Impacto ............................................................................................................ 94
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Helder Marques
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Lista de Figuras
Figura 2.1 - Desenvolvimento de Produto e a sua multidisciplinariedade .................................... 3
Figura 2.2 - Exemplo de variantes de produtos existentes ........................................................... 4
Figura 2.3 - Exemplos de produtos inovadores ............................................................................ 4
Figura 2.4 - Exemplo de produto criativo ...................................................................................... 5
Figura 2.5 - Ciclo de vida de um produto num ponto de vista económico. (1) ............................. 5
Figura 2.6 - Desenvolvimento integrado de produto e as suas etapas. Adaptado de (1) ............ 7
Figura 2.7 - Estrutura Cinemática de um Motociclo. Adaptado de (2) .......................................... 8
Figura 2.8 - Exemplos de molas helicoidais ............................................................................... 14
Figura 2.9 - Modelo de Sistema de Suspensão de Motociclo. Adaptado de (6) ........................ 15
Figura 2.10 - Exemplo de pneu de motociclo ............................................................................. 15
Figura 2.11 - Suspensão de forquilha telescópica ...................................................................... 16
Figura 2.12 - Motociclo com Suspensão de Forquilha Telescópica ........................................... 17
Figura 2.13 – Principais especificações de um Triple Clamp ..................................................... 18
Figura 2.14 - Rake, offset e trail de um motociclo. Adaptado de (7) .......................................... 19
Figura 2.15 - Exemplos de triple clamps ..................................................................................... 20
Figura 2.16 - Arranjos típicos de fibras (10) ................................................................................ 24
Figura 2.17 - Vista explodida do BEM-170, mostrando os componentes fabricados em
compósitos poliméricos avançados (Embraer)....................................................... 26
Figura 2.18 - Pré-impregnado sob a forma de volume (esquerda) e sob a forma de
folha (direita) ........................................................................................................... 28
Figura 2.19 - Exemplo de substituição do alumínio por pré-impregnado de fibras
curtas (14) ............................................................................................................... 29
Figura 2.20 – Esquema do processo RRIM (15) ........................................................................ 30
Figura 2.21 - Esquema do processo RTM (15) ........................................................................... 31
Figura 2.22 - Esquema do processo SMC (15) .......................................................................... 33
Figura 2.23 - Esquema do processo de moldação em prensa (15) ............................................ 34
ix
Lista de Figuras
____________________________________________________________________________________
Figura 2.24 - Esquema do processo de moldação por injeção (15) ........................................... 35
Figura 2.25 - Processo de forjamento ......................................................................................... 36
Figura 2.26 - Sequência de operações CAD-CAM ..................................................................... 38
Figura 2.27 - Exemplo de triple clamp anodizados ..................................................................... 40
Figura 2.28 - Exemplo de componentes anodizados .................................................................. 40
Figura 3.1 - Esquema de forças aceleração máxima. Adaptado de (17) .................................... 44
Figura 3.2 - Esquema de forças máxima travagem na roda dianteira. Adaptado de
(17) .......................................................................................................................... 45
Figura 3.3 - Esquema de forças máxima travagem na roda traseira. Adaptado de (17) ............ 46
Figura 3.4 - Esquema de forças do motociclo em curva. Adaptado de (17) ............................... 47
Figura 3.5 - Triple Clamp Superior Yamaha R1 2000. Adaptado de (18) ................................... 49
Figura 3.6 - Distribuição aleatória das fibras curtas .................................................................... 53
Figura 3.7 - Comparação da densidade do HexMC com outros materiais. Adaptado de
(24) .......................................................................................................................... 54
Figura 3.8 - Comparação da tensão de cedência específica do HexMC com outros
materiais. Adaptado de (24) .................................................................................... 54
Figura 3.9 - Comparação do módulo específico do HexMC com outros materiais.
Adaptado de (24) .................................................................................................... 55
Figura 3.10 - Exemplos de aplicação de compostos de moldação ............................................. 55
Figura 3.11 - Malha de elementos finitos utilizada ...................................................................... 57
Figura 3.12 - Condições de fronteira do modelo ......................................................................... 57
Figura 3.13 - Distribuição de tensões no caso de travagem máxima na roda dianteira
e identificação das zonas críticas ........................................................................... 58
Figura 3.14 – Transmissibilidade em função da razão de frequência. Retirado de (26) ............ 60
Figura 3.15 - Frequências naturais Al 6061 e HexMC ................................................................ 62
Figura 3.16 - Força Contacto Pneu Dianteiro – Piso durante passagem em
degrau/queda com 0.05 m a 100 km/h. Adaptado de (6) ....................................... 63
Figura 3.17 – Gráfico força de contacto vs. Tensão de Von Mises máxima ............................... 64
Figura 3.18 - Distribuição de tensões para o HexMC em situação de impacto máximo ............ 65
Figura 3.19 - Identificação da zona crítica em situação de impacto máximo ............................. 65
Figura 3.20 - Força de impacto / Força de contacto em regime estacionário vs.
Tensão de cedência do material ............................................................................. 66
Figura 4.1 - Etapas do processo de fabrico do HexMC. Adaptado de (24) ................................ 70
Figura 4.2 - Placa necessária para maquinar o componente ..................................................... 73
Figura 5.1 - Etapas para trabalhos futuros .................................................................................. 76
Figura A.1 - Valores típicos de distância entre eixos (6) ............................................................. 82
x
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Figura A.2 - Valores típicos do ângulo rake (6) .......................................................................... 83
Figura A.3 - Valores típicos da distribuição do peso - % na roda da frente (6) .......................... 83
Figura A.4 - Valores típicos da altura do centro de gravidade (6) .............................................. 84
Figura A.5 - Esquema de motociclo e identificação dos seus principais parâmetros
geométricos. Adaptado de (17) .............................................................................. 84
Figura C.1 - Esquema de forças motociclo em estado estacionário. Adaptado de (17) ............ 87
Figura D.1 - Esquema de forças travagem máxima na roda dianteira. Adaptado de
(17) .......................................................................................................................... 91
Figura D.2 - Forças na roda dianteira. Adaptado de (17) ........................................................... 92
Figura D.3 - Esquema para cálculo de forças nos triple clamps ................................................ 92
Figura D.4 - Esquema de forças para cálculo de força de impacto nos triples clamps .............. 94
xi
Lista de Figuras
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Helder Marques
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Lista de Tabelas
Tabela 2.1 - Movimentos principais na Dinâmica Lateral de um Motociclo. Adaptado
de (2) ....................................................................................................................... 12
Tabela 2.2 - Tipos de Materiais Compósitos (9) ......................................................................... 22
Tabela 2.3 - Principais requisitos de uma matriz (9) ................................................................... 23
Tabela 2.4 - Exemplos de substituição de soluções convencionais por materiais
compósitos. Adaptado de (11) ................................................................................ 25
Tabela 3.1 - Resumo de forças externas .................................................................................... 48
Tabela 3.2 - Composição química Al 6061 (20) .......................................................................... 51
Tabela 3.3 - Propriedades Mecânicas e Térmicas Al6061-T6 (20) ............................................ 51
Tabela 3.4 - Composição química Al 7075 (21) .......................................................................... 52
Tabela 3.5 - Propriedades Mecânicas e Térmicas Al7075-T6 (21) ............................................ 52
Tabela 3.6 - Propriedades HexMC (23) ...................................................................................... 53
Tabela 3.7 - Resultados obtidos para o caso de travagem máxima na roda dianteira .............. 58
Tabela 3.8 - Deslocamento no caso de travagem máxima na roda dianteira para os
vários materiais ....................................................................................................... 59
Tabela 3.9 - Resultados obtidos para o caso de impacto ........................................................... 63
Tabela 3.10 - Resultados obtidos para situação de impacto via processo iterativo ................... 64
Tabela 3.11 - Resultados obtidos para o caso de força de impacto máxima ............................. 65
Tabela 3.12 - Força de impacto / Força de contacto em regime estacionário ........................... 66
Tabela 4.1 - Temperatura e tempo de cura para o HexMC para espessura de 4 mm
(23) .......................................................................................................................... 69
Tabela 4.2 – Preço [€/kg] de cada material testado ................................................................... 72
Tabela 4.3 - Massa final do componente para cada material testado ........................................ 72
Tabela 4.4 - Preço Matéria-Prima/Peça [€] para processo de maquinagem .............................. 73
Tabela 4.5 - Preço Matéria-Prima/Peça [€] para processo de forjamento.................................. 73
Tabela 4.6 - Preço Matéria-Prima/Peça [€] para processo de moldação por
compressão ............................................................................................................ 74
xiii
Lista de Tabelas
____________________________________________________________________________________
Tabela A.1 - Variação da distância entre eixos em função do tipo de motociclo.
Adaptado de (2) ...................................................................................................... 81
Tabela A.2 - Simbologia e identificação de parâmetros da FIGURA A.5 ...................................... 84
Tabela B.1 - Características Yamaha YZF-R1 2000 (28) ........................................................... 85
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Helder Marques
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Abreviaturas e Símbolos
Lista de abreviaturas
BMC
Bulk Moulding Compound
Cog
Centro de Gravidade
HS Carbon
High Strength Carbon
RIM
Resin Injection Moulding
RRIM
Reinforced Resin Injection Moulding
RTM
Resin Transfer Moulding
SMC
Sheet Moulding Compound
SRIM
Structural Moulding Compound
VaRTM
Vacuum assisted Resin Transfer Moulding
Lista de símbolos
a
Transferência de carga da roda traseira para a dianteira
b
Distância do centro de gravidade para a frente
c
Ângulo da forquilha / Angulo de rake
f
Ângulo de transferência de carga
F
Força de travagem
Fimpacto
Força de impacto
Ftripleclamp
Força transmitida no triple clamp
g
Aceleração da gravidade
h
Altura do centro de gravidade
k
Rigidez
m
Massa do motociclo
n
Coeficiente de segurança
⁄
⁄
Força de contacto roda dianteira - piso
Carga estática da roda dianteira
Carga estática da roda traseira
Força de contacto roda traseira - piso
xv
Abreviaturas e Símbolos
____________________________________________________________________________________
Transferência de carga
o
Offset
p
Distância entre eixos
p-b
Distância do centro de gravidade para trás
Raio de curvatura
Rf
Raio roda frente
Rr
Raio roda trás
Força de reação horizontal no eixo da roda
Força de reação vertical no eixo da roda
T
Trail
T
Força motriz
tcspd
Transferência de carga na posição estática (roda da frente)
tcspt
Transferência de carga na posição estática (roda de trás)
u
Deslocamento
Ω
Velocidade angular
α
Ângulo da forquilha
β
Razão de frequências
μ
Coeficiente de atrito
ξ
Razão de amortecimento
ρ
Densidade volúmica
⁄
⁄
Tensão de Von Mises máxima
Tensão de cedência do material
xvi
Frequência de excitação
⁄
Frequência natural
⁄
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
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1 Introdução
O presente trabalho de dissertação surge no término do Mestrado Integrado em Engenharia
Mecânica. O seu principal âmbito é o estudo da introdução de materiais compósitos em
componentes de motociclos, nomeadamente em “triple clamps”, vulgarmente conhecidos por
mesas de direção.
Em primeiro lugar, foram feitas diversas pesquisas de modo a criar um levantamento de
toda a informação acerca de motociclos, a sua cinemática/dinâmica e os seus constituintes,
focalizando a atenção sobre o sistema de suspensão dianteira. Deste modo, foi possível obter
uma boa perceção sobre qual o papel do componente a analisar na estrutura do motociclo.
Seguidamente foi realizada uma incursão pelos materiais compósitos, seus processos de
fabrico inerentes e uma eventual substituição do alumínio por estes materiais.
Em segundo lugar, e já com uma ideia global sobre o comportamento do motociclo, foram
analisadas as forças externas que atuam sobre este durante os seus movimentos típicos. Após
determinação da situação que acarreta uma maior solicitação do conjunto dianteiro, procedeuse à criação do modelo de elementos finitos para simulação numérica em Abaqus. Este modelo
consiste na geometria 3D do componente, com a consequente definição das condições de
fronteira e cargas aplicadas. Após recolha e interpretação de resultados, nomeadamente
tensão de Von Mises, deslocamentos e frequências naturais, foi testada a situação de impacto
na roda dianteira. Nesta parte, após a caracterização desta solicitação, foi-se aumentando as
cargas aplicadas até serem atingidas as tensões de cedência correspondentes a cada material
testado. Nesta secção do trabalho, também foram analisadas algumas considerações de
projeto aliadas à substituição do alumínio por materiais compósitos.
Na última parte do trabalho, é descrito o processo de fabrico do material compósito
escolhido. Para além da definição do processo de fabrico, foi feita uma análise de custos. Esta
análise versa apenas sobre o custo dos materiais diretos (matérias-primas), associados a cada
processo de fabrico. Esta última parte é bastante importante para ser analisada, uma vez que
pode, certas vezes inviabilizar uma dada solução ou projeto.
1
Introdução
____________________________________________________________________________________
2
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
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2 Revisão da Literatura
Neste capítulo será feita uma introdução e contextualização do tema da dissertação,
versando essencialmente sobre: desenvolvimento integrado de produto, aspetos cinemáticos e
dinâmicos de motociclos, sistemas de suspensão dianteira, materiais compósitos e a
substituição do alumínio.
2.1
Desenvolvimento Integrado de Produto
Desenvolvimento integrado de produto é um conjunto de atividades, começando com a
perceção de uma oportunidade de mercado e acabando com a produção, venda e entrega do
produto.
Este conjunto de atividades é multidisciplinar, englobando:

Marketing;

Engenharia + Design Industrial;

Produção/Processos de fabrico.
Figura 2.1 - Desenvolvimento de Produto e a sua multidisciplinariedade
3
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
O termo produto refere-se a um objeto concebido, produzido industrialmente, com
características e funções, comercializado e usado pelas pessoas ou organizações, de modo a
atender os seus desejos ou necessidades. (1)
Quanto ao grau de novidade, os produtos podem ser classificados em:

Variantes de produtos existentes: extensões de linha, reposicionamento de
produtos em termos de seu uso e mercado, formas novas, versões modificadas;

Inovadores: modificações feitas em produtos existentes, gerando produtos de
elevado valor agregado. Geralmente, um maior grau de inovação requer um tempo
mais longo ou esforço de desenvolvimento e maior custo de pesquisa;

Criativos: geralmente são produtos com
existência nova, o tempo de
desenvolvimento é longo e os custos de pesquisa e desenvolvimento são
elevados. A introdução no mercado de produtos criativos pode ser de risco
elevado, mas também pode gerar novos paradigmas e potencializar novos campos
industriais. (1)
Figura 2.2 - Exemplo de variantes de produtos existentes
Figura 2.3 - Exemplos de produtos inovadores
4
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
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Figura 2.4 - Exemplo de produto criativo
Todos os produtos, independentemente da sua natureza ou característica, têm um
determinado ciclo de vida. A próxima figura ilustra o ciclo de vida de um produto desde um
ponto de vista económico.
Figura 2.5 - Ciclo de vida de um produto num ponto de vista económico. (1)
Projeto de engenharia é o uso de princípios científicos, informações técnicas e imaginação
na definição de estruturas, máquinas ou sistemas para desempenhar funções préespecificadas com máxima economia e eficiência. Projeto é uma atividade predominantemente
cognitiva, fundamentada em conhecimento, experiência e dirigida na busca de soluções ótimas
de produtos técnicos, a fim de determinar a construção funcional e estrutural, criar documentos
com informações precisas e claras para o seu fabrico.
O projeto do produto pode ser formulado como uma atividade de planear, sujeita às
restrições de resolução e às restrições de solução. Como restrições de resolução entende-se,
5
Revisão da Literatura
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aquelas que se relacionam com o conhecimento disponível, o tempo, facilidades de laboratório
e de computação para resolver o problema. As restrições de solução englobam aspetos de
custo, disponibilidade de materiais, equipamentos e processos de fabrico, uso e manutenção.
Para se obter sucesso no desenvolvimento de um determinado produto, têm que se
identificar as necessidades do “cliente” e rapidamente criar produtos que as satisfaçam a baixo
custo, sempre com a perspetiva de gerar lucro para quem vende/produz. (1)
Características para um desenvolvimento de produto bem-sucedido:

Capacidade de produzir e vender produtos com lucro;

Qualidade do produto;

Custo do produto;

Tempo de desenvolvimento;

Custo de desenvolvimento;

Capacidade de desenvolvimento.
Existem diversos métodos de projeto, mas todos seguem uma estrutura básica:
1. Observação e análise: Definição do problema, pesquisa, definição de objetivos e
restrições;
2. Planear e projetar: geração de opções de projeto, escolha da opção de projeto,
desenvolvimento, aprimoramento, detalhamento;
3. Construir e executar: protótipo, produção.
Assim, podemos descrever os seguintes passos:
1. Identificação de uma oportunidade;
2. Análise do problema (levantamento de informações);
3. Geração de ideias;
4. Seleção de ideias (triagem);
5. Desenvolvimento e teste do conceito;
6. Desenvolvimento da estratégia de marketing;
7. Análise do negócio (financeira/comercial);
8. Desenvolvimento do produto;
9. Teste de mercado;
10. Comercialização. (1)
Estes passos podem ser iterados conforme necessário, sendo que alguns passos podem
ser eliminados. Para reduzir o tempo do processo de desenvolvimento de produto, algumas
empresas completam várias etapas ao mesmo tempo. A maioria dos líderes na indústria vê o
processo de desenvolvimento de produto como um processo pró-ativo, onde os recursos são
alocados de forma a identificar mudanças no mercado e apoderar-se de novas oportunidades
6
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
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de produtos antes que elas ocorram (em contraste com a estratégia reativa em que nada é feito
até que os problemas ocorrem ou o concorrente introduz uma inovação).
Por vezes em produtos mais inovadores, onde existe um grande quantidade de incerteza e
mudança que torna difícil ou impossível planear o projeto completo antes de o iniciar, é sempre
aconselhada uma abordagem mais flexível.
Como este processo requer tanto conhecimento de engenharia como de marketing, são
sempre necessárias equipas multidisciplinares, sendo a equipa responsável por todos os
aspetos do projeto, desde a geração da ideia inicial até à comercialização final.
Nas indústrias onde os produtos são tecnicamente complexos e os custos de pesquisa e
desenvolvimento são elevados, por vezes existem alianças estratégicas entre organizações de
forma a distribuir os custos, proporcionando um maior rapidez no processo.
Figura 2.6 - Desenvolvimento integrado de produto e as suas etapas. Adaptado de (1)
7
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
2.2
Definição de Motociclo
Segundo (2), embora os motociclos sejam compostos por uma grande variedade de
componentes mecânicos, desde um ponto de vista estritamente cinemático, considerando as
suspensões como sendo rígidas, um motociclo pode ser simplesmente definido como um
mecanismo espacial composto por 4 corpos rígidos:

Conjunto traseiro (quadro, selim, depósito, motor e conjunto de transmissão);

Conjunto dianteiro (forquilha, coluna de direção e guiador);

Roda dianteira;

Roda traseira.
Estes corpos rígidos estão conectados por três eixos de revolução (eixo de direção e os
dois eixos das rodas) e estão em contacto com o solo como mostrado na FIGURA 2.7.
Figura 2.7 - Estrutura Cinemática de um Motociclo. Adaptado de (2)
Os 4 corpos rígidos representam 24 graus de liberdade. Cada eixo de revolução restringe
cinco graus de liberdade no mecanismo espacial, enquanto cada ponto de contacto roda/piso
deixa três graus de liberdade livres. Se considerarmos a hipótese de rolamento puro dos pneus
na estrada/piso como sendo válida, é fácil de indagar que cada roda só pode girar em torno:

Do ponto de contacto com o plano da roda (movimento para a frente);

Do eixo de intersecção dos planos do motociclo e da estrada (movimento de
revolução);

8
Do eixo que passa através do ponto de contacto e do centro da roda (rotação).
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
Em conclusão, o número de graus de liberdade de um motociclo é igual a 3, dado que 15
graus de liberdade estão inibidos pelos 3 eixos de revolução e os 6 graus de liberdade
eliminados pelos 2 pontos de contacto roda/piso devem ser subtraídos dos 24 graus de
liberdade dos 4 corpos rígidos.
Os três graus de liberdade de um motociclo devem ser associados com três movimentos
principais:

Movimento para a frente (representado pela rotação da roda traseira);

Movimento de revolução/rotação em torno da linha que junta os dois pontos de
contacto no plano do piso/estrada;

Rotação da direção.
Enquanto conduz, o condutor gere estes três movimentos principais, de acordo com o seu
estilo pessoal e perícia. O movimento resultante do motociclo e a correspondente trajetória
dependem da combinação, no domínio do tempo, dos 3 movimentos principais relacionados
com os 3 graus de liberdade. Esta combinação gera uma manobra, perante milhares possíveis,
representando de certa forma o estilo pessoal do condutor.
Estas considerações foram formuladas assumindo que os pneus se movem sem
escorregamento. Contudo, na realidade, o movimento dos pneus não é apenas um processo
de rotação.
A geração de forças longitudinais (forças de condução e travagem) e forças laterais requer
algum grau de escorregamento em ambas as direções, longitudinal e lateral, dependendo das
condições da estrada. O número de graus de liberdade é portanto igual a sete:

Movimento de avanço do motociclo;

Rotação do guiador;

Movimento de revolução do eixo de intersecção dos planos do motociclo e da
estrada;

Escorregamento longitudinal da roda dianteira (travagem);

Escorregamento longitudinal da roda traseira (impulso ou travagem);

Escorregamento lateral da roda dianteira;

Escorregamento lateral da roda traseira.
9
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
2.3
Cinemática e Dinâmica de Motociclos
O estudo cinemático de motociclos é importante, especialmente em relação aos seus efeitos
no seu comportamento dinâmico. Portanto, neste capítulo, para além do estudo cinemático,
serão referidas algumas propriedades e características do comportamento dinâmico de um
motociclo de forma a mostrar como algumas peculiaridades cinemáticas podem influenciar a
estabilidade direcional e manobrabilidade de uma moto. Alguns aspetos são abordados no
ANEXO A.
Os movimentos de interesse num motociclo incluem: equilíbrio/caso estático, travagem,
viragem/direção, aceleração, ativação da suspensão e vibração. O estudo destes movimentos
começou no século XIX e continua até hoje. (3) (4) (5)
Tanto os motociclos como as bicicletas, são veículos fundamentalmente diferentes e mais
difíceis de estudar do que outros veículos de rodas, como por exemplo, os triciclos e
quadriciclos. Apresentam falta de estabilidade lateral quando estacionários, e na maioria das
circunstâncias só permanecem em pé quando se deslocam para a frente. A experimentação e
análise matemática demonstraram que um motociclo permanece na posição vertical quando for
orientado para manter o seu centro de massa sobre as suas rodas. Esta orientação é
normalmente gerada por um condutor. Vários fatores, incluindo geometria, distribuição da
massa e efeito giroscópico contribuem em diferentes graus para esta auto-estabilidade.
Manter-se em pé pode ser o principal objetivo para um condutor/piloto iniciado. Contudo, o
motociclo deve inclinar-se, a fim de manter o equilíbrio numa curva: quanto maior for a
velocidade ou menor for o raio da curva, maior a inclinação requerida. Ao contrário de outros
veículos, a entrada de comando primário é a direção e não a posição.
Embora os motociclos sejam longitudinalmente estáveis quando parados, costumam ter um
centro de massa razoavelmente alto e uma distância entre eixos suficiente para levantar a roda
do chão sob uma determinada aceleração ou desaceleração.
2.3.1
Forças
Se o condutor e o motociclo forem considerados como sendo um único sistema, as forças
que atuam nesse sistema e as suas componentes podem ser divididas em dois grupos: forças
internas e forças externas.
As forças externas são devido à gravidade, inércia, contacto com o solo e com a atmosfera.
As forças internas são causadas pelo condutor e pela interação entre componentes.
Forças Externas
Tal como acontece com todas as massas, a gravidade puxa o piloto e todos os
componentes do motociclo para a terra. Em cada superfície de contacto do pneu existem
forças de reação do solo com componente horizontal e vertical. As componentes verticais
10
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
maioritariamente agem contra a força da gravidade, mas também variam com a aceleração e
travagem.
As componentes horizontais, devido ao atrito entre as rodas e o solo, incluindo a resistência
ao rolamento, são em resposta às forças de propulsão, de travagem e de viragem. As forças
aerodinâmicas devidas à atmosfera são na sua maioria sob a forma de arrasto, mas também
podem ser devido ao vento lateral. A velocidade elevada, o arrasto aerodinâmico torna-se
esmagadoramente a maior força que faz resistência ao movimento.
As forças devido à viragem são geradas durante as manobras de equilíbrio e também
devido às mudanças de direção. Estas podem ser interpretadas como forças centrífugas no
quadro do motociclo e no condutor. As forças giroscópicas que atuam em peças, tais como
rodas, motor, transmissão, etc, são provocadas pela inércia destas peças em rotação.
Forças Internas
As forças internas são na maioria dos casos causadas pelo condutor ou pelo atrito. O atrito
existente entre as peças que se movem umas contra as outras: transmissão, mecanismo de
direção e quadro, etc. Para além dos travões, que criam atrito entre as rodas em rotação e as
peças do quadro em não rotação, a maioria dos motociclos têm suspensão dianteira e traseira
de forma a dissipar energia indesejável.
2.3.2
Movimentos
Os movimentos de um motociclo podem ser agrupados em dois tipos: aqueles fora do plano
de simetria (laterais) e aqueles no plano central de simetria (longitudinal ou vertical).
Movimentos laterais incluem o equilíbrio, inclinação, direção/controlo e viragem. Movimentos no
plano central de simetria incluem o movimento para a frente / de avanço, paragem, e sobretudo
situações que envolvam a ativação da suspensão.
Estes dois tipos de movimentos podem ser tidos como linearmente desassociados entre si.
Por exemplo, um motociclo é lateralmente instável quando está parado e pode ser lateralmente
auto-estável quando se desloca sob as condições certas. Por outro lado, um motociclo é
longitudinalmente estável quando estacionário e pode ser longitudinalmente instável quando
submetido a uma aceleração ou desaceleração suficiente.
2.3.3
Dinâmica Lateral
A dinâmica lateral tem-se demonstrado ser a mais complicada, exigindo análise dinâmica
tridimensional de vários corpos. No mínimo, são necessárias duas equações diferencias de
segunda ordem acopladas para caracterizar os principais movimentos. Obter soluções exatas é
impossível, sendo necessário recorrer aos métodos numéricos em seu lugar. Na TABELA 2.1
podem ser observados os principais movimentos na dinâmica lateral de um motociclo
(equilíbrio, viragem e manobrabilidade) e os parâmetros que afetam cada um desses
movimentos.
11
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
Dinâmica Lateral de Motociclos
Equilíbrio
Viragem

Velocidade de avanço

Inclinação

Localização do centro de

Contra-viragem
massa

Viragem em

Trail
estado

Distância entre eixos
estacionário

Distribuição da massa do

mecanismo de direção

Efeitos giroscópicos

Auto-estabilidade

Aceleração longitudinal
Angulo de
Manobrabilidade

Input do
condutor
viragem

Pneus
Tabela 2.1 - Movimentos principais na Dinâmica Lateral de um Motociclo. Adaptado de (2)
12
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
2.4
Sistema de Suspensão Dianteira
Os sistemas de suspensão nos motociclos foram introduzidos entre 1930 e 1940, desde
então, um grande número de arquiteturas/designs e modelos cinemáticos têm sido propostos.
A suspensão de um motociclo tem uma dupla finalidade: contribuir para o manuseio e
travagem do veículo, e proporcionar segurança e conforto mantendo os passageiros do veículo
confortavelmente isolados do ruído, impacto e vibrações da estrada.
Um motociclo sem suspensão movendo-se sobre um piso irregular apresenta dificuldades
de direção devido à perda de aderência das rodas na estrada e ao desconforto do condutor.
Pequenos solavancos na estrada são facilmente absorvidos pelos pneus, mas para uma
adequada absorção de solavancos maiores, um motociclo precisa de uma adequada
suspensão.
A suspensão tem de satisfazer os três seguintes propósitos:

Permitir às rodas seguir o perfil da estrada sem transmitir excessivas vibrações ao
condutor. Este propósito relaciona-se com o conforto do condutor, isolando a
massa suspensa da vibração gerada pela interação das rodas com as
irregularidades da estrada;

Garantir a aderência das rodas no plano da estrada com o intuito de transmitir as
forças de travagem, laterais e motrizes necessárias;

Assegurar
o
equilíbrio
pretendido
do
veículo
sob
várias
condições
de
funcionamento (aceleração, travagem, entrar e sair de curvas).
O grau de conforto requerido varia de acordo com o uso do motociclo. Por exemplo, nos
veículos de corrida, o conforto é menos importante do que a capacidade do motociclo manter
as rodas em contacto com o piso e assumir o equilíbrio desejado.
Contudo, noutro tipo de veículos a suspensão é esperada para servir outros propósitos. Por
exemplo, em motociclos off-road a suspensão serve para isolar a massa suspensa dos
contínuos impactos gerados pelos saltos do veículo.
Perante uma travagem, a suspensão dianteira pode ser chamada a suportar 100% do peso
do veículo, adicionando a isto as forças de travagem, a carga estática da suspensão irá quase
triplicar. Enquanto tem esta função, terá de ser também capaz de absorver os choques
provenientes das irregularidades do piso/estrada.
Existem quatro parâmetros principais que afetam a performance de uma suspensão:




Mola;
Amortecedor;
Massa suspensa e não suspensa;
Características do pneu.
13
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
Mola
Tendo em conta o propósito de uma suspensão, a característica mais importante de uma
mola é a sua constante elástica. É uma medida da sua rigidez e é determinada pela força extra
necessária para comprimir a mola uma certa distância. A constante elástica pode ser expressa
em N/mm e no sistema imperial de medida é usualmente expressa em lbf/inch.
Portanto, numa mola com uma constante igual a 10 N/mm, será necessário exercer uma
força extra de 100 N para a mola comprimir 10 mm. As molas mais comuns são as helicoidais
feitas em aço.
Figura 2.8 - Exemplos de molas helicoidais
Amortecedor
Um amortecedor é, de um posto de vista simples, um absorvedor de energia. O movimento
do amortecedor provoca resistência mecânica, mas ao contrário das molas, não tem tendência
para retomar a sua posição inicial, e portanto utiliza trabalho ou energia, que é dissipada sob a
forma de calor. Esta perda de energia é necessária para prevenir oscilações não controladas
da suspensão. Vamos supor que um grande solavanco na estrada comprimiu totalmente o
amortecedor, nesse instante, a energia é armazenada na mola como energia potencial. À
medida que a mola retorna ao seu comprimento estático, esta energia é transferida, que caso
não houvesse amortecimento, seria totalmente transferida para a massa do motociclo, sob a
14
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
forma de energia cinética. Isto faria com que a suspensão se estendesse para além da sua
posição normal.
A introdução do amortecimento irá absorver uma parte ou a totalidade da energia
transmitida para a suspensão pelas irregularidades da estrada e, consequentemente, a
oscilação irá ser reduzida ou eliminada, dependendo do grau de amortecimento. Como a
energia absorvida pelo amortecedor é transformada em calor. Suspensões como as dos
motociclos de motocross poderão por vezes sobreaquecer.
Massa suspensa e não suspensa
Um motociclo com suspensão, desde um ponto de vista dinâmico, pode ser considerado
como um corpo rígido conectado às rodas com sistemas elásticos (suspensão dianteira e
traseira). O corpo rígido constitui a massa suspensa (chassis, motor, coluna de direção,
condutor), enquanto as massas ligadas as rodas são chamadas massas não suspensas.
Figura 2.9 - Modelo de Sistema de Suspensão de Motociclo. Adaptado de (6)
Pneus
Os pneus têm uma grande influência na manipulação dos motociclos. Geram as forças
laterais necessárias para as viragens e equilíbrio, através de uma combinação das forças de
viragem e de impulso. A pressão de enchimento de um pneu, também é considerada uma
variável importante para o comportamento do motociclo
Figura 2.10 - Exemplo de pneu de motociclo
15
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
O sistema de suspensão dianteira mais generalizado é o de forquilha telescópica. Este
termo é utilizado porque os tubos deslizam para dentro e para fora do corpo, tal como um
telescópio. Os garfos podem ser mais facilmente entendidos como grandes amortecedores
hidráulicos com molas internas. Permitem à roda da frente reagir às imperfeições da estrada
enquanto isolam o resto do motociclo daquele movimento. Os tubos do garfo devem ser lisos e
com um bom acabamento superficial, de modo reduzir o atrito, sendo a vedação do óleo feita
por vedante e raspador.
A parte superior dos garfos está ligada ao quadro do motociclo através do “triple clamp”
superior e inferior, também conhecido por mesa de direção superior e inferior, permitindo uma
ligação entre os garfos a fim de orientar o motociclo.
A maioria dos motociclos tem “triple clamps” superiores e inferiores, fornecendo dois pontos
sólidos de fixação da forquilha ao quadro.
A parte inferior dos garfos/forquilhas está ligada ao eixo da frente em torno do qual a roda
dianteira gira.
Mesa Superior
Eixo/Coluna de direção
Mesa Inferior
Manga protetora
Tubo do garfo
Figura 2.11 - Suspensão de forquilha telescópica
16
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
A forquilha telescópica é caracterizada pela baixa inércia em volta do eixo da coluna de
direção. A sua grande desvantagem é representada pelas elevadas forças de atrito
encontradas quando são aplicadas forças ortogonais ao eixo sobre o qual os tubos deslizam –
por exemplo, durante as travagens e curvas.
Duas limitações da forquilha telescópica são a impossibilidade de atingir valores de
força/deslocamento progressivos e os elevados valores da massa sem suspensão que é parte
integral da roda.
Figura 2.12 - Motociclo com Suspensão de Forquilha Telescópica
17
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
2.4.1
“Triple Clamps”
Tal como dito anteriormente, os “triple clamps” conectam os tubos da forquilha ao quadro
do motociclo, fornecendo dois pontos sólidos de fixação da forquilha ao quadro.
Principais especificações





Largura da forquilha / Distância entre tubos da forquilha;
Diâmetro dos tubos da forquilha;
Diâmetro do eixo da coluna de direção;
Offset.
Distância para a coluna de direção
Distância entre
tubos da forquilha
Diâmetro do tubo
da forquilha
Offset
Diâmetro do eixo da
coluna de direção
Figura 2.13 – Principais especificações de um Triple Clamp
De forma a compreender melhor a importância dos triple clamps e de como se pode ajustar
o desempenho de um motociclo através deles, é importante referir alguns parâmetros
geométricos importantes tais como, “Rake” ou ângulo da forquilha, “Trail” e “Offset”. Estes
parâmetros são estabelecidos pela forquilha e os seus pontos de fixação no quadro.
“Rake” – é definido como o ângulo entre o eixo vertical e o eixo da direção. O ângulo de
inclinação tem efeito na direção, quanto menor for o “rake”, mais fácil será o motociclo virar,
mas será menos estável em linha reta.
“Trail” – é a distância medida no solo entre uma linha reta traçada através do centro do
eixo da roda dianteira e uma linha traçada através do eixo do cabeçote da direção. Quanto
maior for o “Trail”, maior será a estabilidade em linha reta, contudo será mais difícil efetuar
viragens.
“Offset” - é a distância entre uma linha traçada através do centro do eixo da haste de
direção/cabeçote e a linha de centro dos tubos do garfo dianteiro. Quanto maior for o “offset”,
menor vai ser o “trail”.
18
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
A seguinte ilustração mostra cada uma destas medidas.
Figura 2.14 - Rake, offset e trail de um motociclo. Adaptado de (7)
Relação entre “offset”, “trail” e “rake”

Se aumentar o “rake”, o “trai”l aumenta e vice-versa;

Se aumentar o “offset” para ambos os “triple clamps”, o “trail” diminui;

Se aumentar o “offset“ apenas do “triple clamp” superior, o “trail” aumenta;

Se aumentar o “offset” apenas do “triple clamp” inferior, o “trail” diminui. (7)
A conjugação destes 3 parâmetros permite alterar as características de estabilidade e
direção do motociclo conforme a utilização que se vai dar a este e as preferências do condutor.
Podem ser consultadas mais informações sobre estes parâmetros geométricos no ANEXO A.
Este componente permite melhorar o manuseio do motociclo através da alteração do offset,
ajustando-se às necessidades do condutor. Também permitem uma melhor absorção dos
choques e das vibrações que caso contrário iriam ser transmitidas para as mãos do condutor.
Esta diminuição das vibrações possibilita uma menor fadiga nos braços e consequentemente
uma melhor sensação de condução.
19
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
Figura 2.15 - Exemplos de triple clamps
20
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
2.5
Materiais Compósitos e substituição do Alumínio
A competição entre diferentes tipos de materiais é um processo contínuo que ocorre desde
os primórdios da civilização, à medida que, em função das suas necessidades, o homem
iniciou a transformação de materiais em ferramentas e utensílios.
Foi a partir da década de 1960 que os compósitos – materiais constituídos por dois ou mais
componentes com propriedades físicas e químicas distintas – começaram a ser utilizados no
fabrico de componentes. Porém, nessa época, alguns sectores da indústria ainda impunham
restrições quanto ao seu uso. Com o passar dos anos e evolução das tecnologias, os materiais
compósitos ganharam o seu espaço e passaram a ser aplicados na produção de peças
estruturais para diferentes segmentos da indústria.
Entre as vantagens de se utilizar peças produzidas com estes materiais está a redução de
peso, considerado um diferencial estratégico no fabrico de um automóvel, motociclo ou avião,
uma vez que, influencia diretamente o desempenho do veículo, permitindo maior velocidade e
menor consumo durante a sua utilização. Devido a esta e outras vantagens, a produção e
utilização de compósitos cresce a cada dia.
A potencial substituição de alumínio por um material compósito é uma tarefa desafiante,
considerando a elevada eficácia estrutural do componente metálico original. O uso de materiais
compósitos no processo de fabrico de componentes estruturais para veículos está a ter um
lento mas contínuo crescimento desde a sua introdução. No campo das aplicações
aeroespaciais, o uso de compósitos está a experienciar um incremento acentuado com a futura
geração de aviões comerciais, tais como o Airbus A350 e o Boeing 787, onde os compósitos
são largamente adotados em estruturas primárias. A substituição do alumínio por compósitos
poliméricos estruturais, por exemplo, permite uma redução de peso de 20 a 30%, além de 25%
na redução do custo final de obtenção das peças. (8)
2.5.1
O que é um material compósito?
Materiais compósitos são materiais feitos a partir de dois ou mais materiais constituintes
com diferenças significativas a nível de propriedades físicas ou químicas. Separadamente os
constituintes do compósito mantêm as suas características, porém quando misturados formam
um composto com propriedades impossíveis de se obter com apenas um deles.
Os materiais que podem compor um material compósito podem ser classificados em dois
tipos: matriz e reforço.

O material da matriz é o que confere estrutura ao material compósito, preenchendo
os espaços vazios que ficam entres os materiais de reforço e mantendo-os nas
suas posições relativas;

Os materiais de reforço ou fibras são os que realçam as propriedades mecânicas,
eletromagnéticas ou químicas do material compósito como um todo.
21
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
Tabela 2.2 - Tipos de Materiais Compósitos (9)
O principal objetivo de se produzirem compósitos é o de combinar diversos materiais para
se produzir um único com propriedades superiores às dos componentes isolados, pelo que a
combinação dos materiais constituintes é decidida a partir da aplicação específica que se
pretende dar ao material compósito.
A conceção deste tipo de materiais é milenar: existem referências escritas sobre a
utilização de argila reforçada com palha em tijolos no Antigo Egipto. No século XIX já se
utilizavam barras de ferro para reforçar alvenarias, abrindo-se assim o caminho para o
desenvolvimento do betão armado. Nos anos 40 do século XX generalizou-se a utilização de
plásticos reforçados em componentes elétricos. A partir de 1960 desenvolveram-se as fibras de
carbono que foram a partir de 1968 aplicadas em aviões.
A combinação dos materiais depende da aplicação específica que se pretende do material
compósito e a relativa importância de vários fatores tais como:
22

Resistência à corrosão;

Rigidez;

Peso;

Resistência à fadiga;

Expansão térmica;

Propriedades eletromagnéticas;

Condutibilidade térmica;
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________

Comportamento acústico;

Aspeto.
As elevadas resistência e rigidez específicas continuam a ser a combinação que lança os
materiais compósitos para novas áreas, sendo a grande capacidade de amortecimento e o
baixo coeficiente de expansão térmica, características que podem ser adaptadas para
aplicações específicas. Os designados compósitos avançados permitem reduzir os problemas
de fadiga, possibilitando uma maior flexibilidade no projeto e nos processos de fabrico. Outras
vantagens dos compósitos são a resistência a temperaturas extremas, à corrosão e ao
desgaste que podem conduzir a custos mais baixos do ciclo de vida do produto.
Matriz
A matriz de um material compósito deve, para além de manter a coesão das fibras, garantir
as seguintes funções:




Proteger as fibras do meio envolvente;
Proteger as fibras do dano durante o manuseamento;
Distribuir o carregamento pelas fibras;
Redistribuir o carregamento pelas fibras resistentes em caso de rutura.
Na TABELA 2.3 apresentam-se os principais requisitos do material da matriz.
Tabela 2.3 - Principais requisitos de uma matriz (9)
23
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
Fibras
Consistem em milhares de filamentos, cada filamento com diâmetro entre 5 e 15
micrómetros, permitindo a sua produção em equipamentos do sector têxtil. As fibras podem ser
encontradas em duas formas:

Fibras curtas;

Fibras contínuas.
Alguns arranjos típicos de fibras nos materiais compósitos:
a) Fibras unidirecionais contínuas;
b) Fibras descontínuas orientadas de modo aleatório;
c) Fibras unidirecionais tecidas ortogonalmente.
Figura 2.16 - Arranjos típicos de fibras (10)
Principais materiais usados nas fibras
24

Vidro;

Aramida ou Kevlar (muito leve);

Carbono;

Boro;

Carboneto de silício (resistência a elevadas temperaturas);

Fibras naturais.
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Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
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2.5.2
Interesse no uso de materiais compósitos
Por exemplo, no domínio da aviação comercial, as principais preocupações dos fabricantes
de aviões são a performance e os fatores económicos. As principais características de um
material compósito incluem:

Redução de peso que leva a uma redução no consumo de combustível;

Aumento das cargas a utilizar;

Boa resistência à fadiga, que leva a uma vida mais prolongada, envolvendo uma
redução no custo a longo termo do produto;

Boa resistência à corrosão, significando menos necessidade de inspeção e
consequente redução na manutenção. Exceto no caso de contacto do alumínio
com fibras de carbono, onde uma reação galvânica provoca rápida corrosão;

Não apresentam cedência (os limites elásticos correspondem aos de rutura);

Não são sensíveis à maioria dos químicos usados em motores: lubrificantes, óleo,
tintas e solventes, petróleo, etc…

Apresentam uma excelente resistência ao fogo. Contudo, o fumo emitido pela
combustão de algumas matrizes pode ser tóxico. (11)
2.5.3
Exemplos de substituição de soluções convencionais por
materiais compósitos
A seguinte tabela mostra alguns casos significativos que ilustram as melhorias a nível de
preço e performance que podem ser obtidas depois da substituição de uma determinada
solução convencional por materiais compósitos.
Aplicação
Solução convencional
Solução em Compósitos
Estabilizador para helicóptero
Ligas leves + Aço =16 kg
Carbono/epoxy = 9 kg
Aço soldado = 16 kg
Carbono/epoxy = 11 kg
Alumínio = 6 kg
Carbono/epoxy = 3 kg
Guincho de suporte para
helicóptero
Cabeça de robot para soldar
Mesa X-Y para fabrico de
circuitos integrados
Alumínio fundido
Taxa de fabrico = 30
placas/hora
Carbono/epoxy estrutura
honeycomb
Taxa de fabrico = 55
placas/hora
Tabela 2.4 - Exemplos de substituição de soluções convencionais por materiais compósitos. Adaptado de
(11)
25
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
2.5.4











Exemplos de aplicação dos compósitos
Capacete (kevlar) de proteção individual de algumas forças militares;
Colete à prova de bala (kevlar);
Betão armado (cimento e aço);
Bicicletas (carbono);
Varas (salto com vara);
Alguns barcos de lazer (fibra de vidro ou carbono);
Pranchas de Surf e windsurf;
Pás dos helicópteros;
Canas de Pesca (grafite ou carbono ou fibra de vidro);
Raquetes de ténis;
Indústria automóvel e aerospacial
Figura 2.17 - Vista explodida do BEM-170, mostrando os componentes fabricados em compósitos
poliméricos avançados (Embraer)
26
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
2.5.5
Substituição do alumínio por materiais compósitos
Os potenciais benefícios da introdução de compósitos na indústria automóvel e dos
motociclos tem sido exaustivamente estudada em diversos estudos (12) e (13), explorando a
possível adaptação das características do material e da sua elevada eficácia estrutural. A
possibilidade de redução de peso entre 30% e 50 % no que diz respeito às clássicas soluções
metálicas foi encontrada em várias aplicações, tais como eixos de transmissão, braços de
suspensão e chassis de automóveis. Processos como Sheet Moulding Compound (SMC),
Resin Injection Moulding (RIM) ou Resin Transfer Moulding (RTM), têm sido encontrados
particularmente adequados para a produção em massa no campo automóvel. Estas
tecnologias são também promissoras em termos de custo de produção, uma vez que permitem
o fabrico de peças de grande porte apenas numa operação de moldação e pagar os custos
iniciais mesmo para uma baixo/médio volume de produção (10 mil a 100 mil peças). Contudo,
existem alguns autores que apontam o custo das matérias-primas como o principal obstáculo à
difusão dos materiais compósitos na produção em massa. Existem outras limitações
mencionadas tais como as exigências estéticas relevantes para a elevada qualidade do
acabamento superficial para peças externas ou a necessidade de aumentar a quantidade de
materiais reciclados. Para além disso, os compósitos tendem a desenvolver defeitos durante o
seu fabrico e manuseio assim como delaminagem devido a impactos com objetos estranhos ou
detritos, o que pode levar a uma severa redução das suas propriedades de resistência. Estas
limitações são a principal preocupação no uso de laminados compósitos em aplicações que
exijam elevada performance mas também no seu fabrico em massa.
Por outro lado, custos de produção, reciclagem e redução do tempo de vida devido aos
defeitos não são um ponto crítico para carros e motociclos desportivos. Por isso, componentes
estruturais feitos a partir de compósitos laminados são largamente usados nesse contexto,
onde permitem atingir uma superior eficiência estrutural.
Mais recentemente, a aplicação de compósitos reforçados com carbono em veículos
desportivos de alto rendimento foi prosseguida pela concentração dos requisitos estruturais e
processos de fabrico eficazes. Neste momento, podem-se ter duas considerações: crescente
tendência pela substituição de componentes metálicos por componentes compósitos e as
tecnologias e processos de fabrico emergentes tais como o RTM ou o VaRTm, que permitem
uma mais rápida e menos dispendiosa produção. (8)
Uma das maneiras de substituir o alumínio por materiais compósitos é através da utilização
de compostos de moldação constituídos por pré-impregnados com fibras curtas distribuídas
aleatoriamente. Esta solução apresenta uma grande possibilidade de escolha a nível do
tamanho e largura das fibras, flexibilidade na seleção da resina e eventualidade de serem feitas
pré-formas. Oferecem outra forma de material a ser considerada pelos engenheiros ligados aos
materiais compósitos. Algumas razões atrativas são a igualdade de performance, custos totais
mais baixos, e uma mais fácil transição desde o alumínio comparando com os compósitos de
27
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
fibras contínuas. Este tipo de material tanto pode ser fornecido na forma de volume (na forma
de fibras soltas) ou na forma de folha (tapete enrolado).
Figura 2.18 - Pré-impregnado sob a forma de volume (esquerda) e sob a forma de folha (direita)
São tipicamente moldados a temperaturas constantes em moldes metálicos. A cura
isotérmica otimiza o uso do equipamento através da eliminação do aquecimento e
arrefecimento em rampa, associado aos pré-impregnados. Ao contrário da moldação em
autoclave, o uso de moldes metálicos fornece superfícies dimensionalmente controladas em
ambos os lados do componente. O ingrediente essencial para moldar este tipo de préimpregnado é aplicar pressão ao composto de moldação de forma a que a resina e a fibra se
movam como um só. Se a resina é demasiado espessa ou fina para fluir e mover a fibra, então
o molde não será totalmente preenchido, resultando numa má qualidade do componente.
Inversamente, no processo de autoclave para pré-impregnados de fibras contínuas é desejada
a resina com mais baixa viscosidade de modo a que o ar aprisionado possa ser removido a
baixas pressões. (14)
Componentes feitos desde pré-impregnados de fibras curtas unidirecionais apresentarão a
mesma performance que compósitos de fibra contínuas processados por laminação manual
“hand layup”, no que diz respeito a ações/efeitos inesperados. Muito do ganho de performance
obtido nos pré-impregnados de fibra curta provém da sua baixa sensibilidade aos tradicionais
efeitos inesperados (impacto, choque). Uma vez que os pré-impregnados de fibra curta têm
falhas inerentes devido à concentração de tensões nas extremidades das fibras, as perdas
adicionais de propriedades devido a furos, absorção de humidade, etc., são mínimas. Para
além disto, esta forma de material pode ser transformada em formas geométricas complexas.
(14)
Este tipo de material pode ter uma vantagem sobre os pré-impregnados de fibras contínuas
orientadas quando se trata de produtividade do trabalho. Para geometrias simples é mais
rápido criar um tapete de fibra curta distribuída aleatoriamente do que orientar um préimpregnado de fibra contínua utilizado em moldação manual em vácuo. (14)
A nível de custos os pré-impregnados de fibra contínua apresentam duas operações
exigentes (laminação, saco de vácuo e adesão das fibras), enquanto que os pré-impregnados
28
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
de fibras curtas apresentam duas operações menos rigorosas (fabrico do tapete e pré-forma).
Para além disso, requisitos de pós-processamento, tais como, aparar as bordas, perfurar,
instalar insertos, etc., podem ser atingidos através da moldação. Eliminar estas operações
reduz ainda mais os custos, originando um custo global mais baixo. (14)
Os pré-impregnados de fibras curtas são mais adequados para a substituição do alumínio
devido à sua capacidade de moldação 3D. É importante verificar algumas vantagens e
desvantagens de design e processo de forma a alcançar o melhor custo final e performance do
componente, contudo este processo é menos exigente que um processo de redesign total,
sendo apenas necessário considerar algumas modificações menores na peça. (14)
Figura 2.19 - Exemplo de substituição do alumínio por pré-impregnado de fibras curtas (14)
29
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
2.5.6
Processos de Fabrico de Compósitos de Matriz Polimérica
Da análise do artigo (8), foram encontrados os seguintes processos adequados à produção
deste tipo de componente e que são apelativos na substituição do alumínio:

Moldação por injeção com reação – RIM (Resin Injection Moulding);

Moldação por transferência de resina – RTM (Resin Transfer Molding);

Moldação com compostos - SMC (Sheet Moulding Compound) e BMC
(Bulk
Moulding Compound).
a) Moldação por injeção com reação – RIM
A moldação por injeção com reação também designada por moldação por reação líquida
ou RIM consiste em:

Misturar dois líquidos monoméricos reativos numa câmara de mistura;

Injetar num molde fechado, sob baixa pressão, a mistura imediatamente a seguir;

A polimerização e, geralmente, separação de fase, dá-se dentro do molde;

Após solidificada, a peça é ejetada ou retirada do molde.
Existe uma variante deste processo que é o RRIM (Reinforced Reaction Injection Molding).
Nesta variante, introduzem-se fibras curtas num dos componentes reativos o que conduz à
injeção de uma mistura pré-reforçada. Existe também o SRIM (Structural Reaction Injection
Molding), onde se introduzem fibras longas, na forma de mantas de fibra contínua, telas ou
préformas, no interior do molde antes da injeção.
Figura 2.20 – Esquema do processo RRIM (15)
Vantagens e desvantagens

Produtividade elevada;

O RRIM tem custos de mão-de-obra baixos mas propriedades mecânicas
médias;
30
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________

O SRIM tem custos de mão-de-obra mais elevados mas boas propriedades
mecânicas;

Equipamento menos dispendioso que outros processos de cadência elevada.
Aplicações

O mercado automóvel representa o mais importante campo de aplicações para as
peças obtidas por este processo, nomeadamente em painéis de instrumentos e em
proteções inferiores do carro;

Muitos componentes para camiões são também produzidos por RIM, tais como
amortecedores, painéis frontais e grelhas;
b) Moldação por transferência de resina - RTM
Alguns autores designam também o RTM, mais vulgarmente, por VaRTM (Vacuum
Assisted Resin Transfer Molding), o processo de molde aberto que designámos por moldação
por injeção de resina.
Descrição do processo

Para um bom acabamento começa-se por aplicar uma camada de gel ao molde;

O reforço preparado como pré-forma é montado no interior de uma moldação
fechada;

Fecha-se o molde que, em certos casos, pode ser aquecido;

A resina com baixa viscosidade e misturada com um catalisador é injetada sob
relativamente baixa pressão para o interior da cavidade; em certos casos aplica-se
vácuo;

Aguarda-se a cura da peça;

Retira-se a peça.
Figura 2.21 - Esquema do processo RTM (15)
Vantagens



Acabamento muito bom em ambas as superfícies;
Obtenção de peças com formas complexas incluindo insertos e machos;
Séries pequenas ou médias;
31
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________






Possibilidade de automação parcial;
Espessura uniforme nas peças, podendo variar entre 0,5 e 9 mm;
Baixa emissão de voláteis;
Baixa porosidade;
O reforço pode ser montado em pré-formas complexas com diversos tipos de fibra
de formas comerciais;
Possibilidade de obter peças com elevado teor em fibra.
Desvantagens







Moldes e ferramentas auxiliares são difíceis de projetar e mais caros do que os
necessários para a moldação manual mas menos caros do que os usados em
moldação em prensa;
Necessita de bastante mão-de-obra;
Dificuldade de prever o fluxo de enchimento;
Limitações de dimensão;
Necessidade de utilizar resina de baixa viscosidade;
Percentagem de peças rejeitadas pode ser elevada, dado que o reforço pode
mover-se no interior do molde;
O processo não é fácil de automatizar.
Aplicações



Produção em séries pequenas ou médias de peças para carroçarias de camiões,
reboques e contentores;
Aplicado em materiais sanitários como, por exemplo, banheiras;
Permite a produção de peças com dimensões médias.
c) Moldação com compostos SMC e BMC
Composto em folha ou SMC é uma mistura de fibra de vidro ou carbono cortada (numa
fração volúmica de 20% a 60%), com resina (numa fração mássica de cerca de 30%), com
catalisadores, aditivos e cargas (material de enchimento), na forma de uma folha préimpregnada e não aderente. O composto em folha inclui todos os componentes necessários
para a moldação final.
O processo de moldagem por compressão em prensa, em moldes metálicos aquecidos, ou
por injeção (menos vulgar) torna possível a produção de peças.
Existem três tipos de SMC:
1. SMC STANDARD – massa específica de 1900
; redução de massa
relativamente a peças equivalentes de aço da ordem dos 55%;
2. SMC DE BAIXA DENSIDADE – massa específica de 1300
; usam-me
esferas ocas de vidro como carga; redução de massa relativamente a peças
equivalentes de aço da ordem dos 75%;
3. SMC LITE – massa específica de 1600
conseguida usando carboneto de
cálcio como aditivo; redução de massa relativamente a peças equivalentes de aço
da ordem dos 65%;
32
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
Descrição do processo SMC
1. A fibra de vidro ou carbono é cortada a partir de fio (roving) em pedaços com
comprimento entre 25 e 50 mm e misturado com resina e outros componentes;
2. A mistura é confinada entre duas camadas finas de plástico e compactada de
forma a garantir a completa impregnação do reforço;
3. O conjunto é enrolado e os rolos são armazenados por alguns dias para permitir
que o composto atinja uma viscosidade adequada.
Figura 2.22 - Esquema do processo SMC (15)
O composto em volume ou BMC (bulk moulding compound) é uma mistura de fibra curta (6
a 12 mm) com resina e outros componentes secundários na forma de uma pasta muito viscosa.
Ao contrário do SMC, não é necessário recorrer a uma fase de armazenamento o que torna o
composto em volume mais adequado para a moldação por injeção. O material também pode
ser processado por compressão em prensa com moldes metálicos aquecidos, de forma
semelhante ao SMC.
Os compostos de BMC possuem normalmente baixos conteúdos de fibra de vidro (entre 10
a 20% em volume). O composto em volume (BMC) pode conter maior teor de cargas do que o
composto em folha (SMC) o que torna uma opção mais económica mas com piores
propriedades mecânicas. Como o material é usado no fabrico de peças complexas, geralmente
nervuradas, a resistência mecânica das peças não é prejudicada.
Descrição do processo BMC
1. Inicialmente é introduzida a resina, os aditivos e as cargas num equipamento
misturador;
2. A seguir é colocada a fibra que é misturada rapidamente para evitar a fratura
destas;
3. O BMC pode ser imediatamente passado para a máquina de injeção ou para a
prensa.
33
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
Descrição da moldação em prensa
A moldação com compostos em prensa apresenta as seguintes etapas:
1. O composto (SMC (em folha) ou BMC (em volume)) é cortado no tamanho
necessário para a peça e é pesado;
2. O composto é introduzido numa ferramenta aquecida entre 100ᵒC e 175ᵒC
montada numa prensa;
3. A prensa é fechada exercendo uma pressão que varia entre 1 e 8 MPa de onde a
força total variará entre 300 e 400 toneladas conforme a necessidade da peça e a
capacidade da prensa;
4. Devido à pressão e à temperatura que lhe diminui a viscosidade, o composto é
forçado a preencher todo o molde;
5. Aguarda-se a cura da peça que, vulgarmente varia entre menos de 1 e 5 minutos;
6. Abre-se a prensa e retira-se a peça manualmente ou com o auxílio de ejetores.
Figura 2.23 - Esquema do processo de moldação em prensa (15)
Descrição da moldação por injeção
1. O composto em volume ou BMC é introduzido na forma de uma massa viscosa no
alimentador da máquina de injeção;
2. Um atuador hidráulico ou um fuso de Arquimedes empurra a mistura através do
corpo aquecido da máquina e injeta-a sob pressão (30 a 80 MPa) num molde
fechado igualmente aquecido;
3. A mistura aquecida a uma temperatura próxima da temperatura de cura diminui a
viscosidade e flui facilmente através dos canais de enchimento para a cavidade do
molde;
4. O acumular de calor durante o processo é controlado de forma a minimizar o tempo
de cura;
5. Após a cura e ejeção a peça necessita de poucos acabamentos.
34
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
Figura 2.24 - Esquema do processo de moldação por injeção (15)
Vantagens da moldação em prensa





Peças com excelente acabamento superficial, baixo peso, elevada resistência
mecânica e custo competitivo;
Baixo custo de mão-de-obra;
Processo pouco poluente uma vez que não existe nenhum tipo de solvente no ar
durante a produção;
Possibilidade de reciclar os produtos moldados em SMC;
Possibilidade de séries elevadas (10000 a 200000 peças) com baixo investimento
unitário em ferramentas.
Vantagens e desvantagens da moldação por injeção




Cadência de produção elevada uma vez que o tempo injeção varia (tipicamente)
entre 1 e 5 segundos;
Elevado volume de pelas produzidas (até 2000 peças pequenas por hora);
Necessidade de poucos acabamentos;
Qualidade mecânica do compósito limitada, mas compensada pela possibilidade de
obter peças com exigências técnicas bem definidas nomeadamente com paredes
de espessura variável, ângulos vivos e nervuras.
Aplicações da moldação em prensa



Produção em grande escala de peças para carroçarias, ou componentes
estruturais de automóveis, e caixas para equipamento elétrico e eletrónico;
Crescentemente aplicada em sectores produtivos de materiais sanitários
(banheiras) e de mobiliário urbano (cadeiras para estádios e cinemas), etc.;
Geralmente aplicada em peças até 1,5
, muito embora se possa produzir peças
maiores.
Aplicações de moldação por injeção



Produção em grande escala de peças complexas para equipamentos elétricos e
componentes para automóveis (uma aplicação importante do BMC são os faróis
dianteiros);
Produção de brinquedos para crianças;
Geralmente aplicada em peças relativamente pequenas.
35
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
2.5.7
Processos de Fabrico do componente em Alumínio
Nesta secção do trabalho, serão introduzidos alguns dos processos de fabricos que são
utilizados para a conceção do componente na sua solução original, ou seja, em alumínio. Estes
processos incluem: forjamento, maquinagem e anodização.
a) Forjamento
Forjamento é um processo de conformação, em geral a quente, que por compressão se
obriga a matéria-prima a assumir a forma, contorno ou perfil da ferramenta conformadora,
chamada matriz ou estampo. Por forjamento a frio produzem-se parafusos, porcas e
engrenagens, entre outros. É um processo semelhante à conformação, diferenciado pelo fato
de que este acontece por impacto. A matéria-prima é colocada na parte inferior do molde,
então a parte superior desce em alta velocidade e atinge a matéria-prima.
Dependendo do tipo de processo adotado no forjamento, pode-se gerar mínima perda de
material e boa precisão dimensional. Diversas técnicas produtivas são adotadas para se
conseguir forjar peças e melhorar as características metalúrgicas, algumas dessas técnicas
são milenares, com baixo grau tecnológico, caros e demorados e outras técnicas são de última
geração. Nestas técnicas mais modernas é comum o uso de programas computacionais
complexos, que proporcionam ganho de tempo e redução de desperdício de energia e material,
conhecidos como CAD/CAM.
Quando as peças são forjadas procura-se alterar principalmente a elasticidade e a
plasticidade dos metais.
No forjamento é fundamental ter precisão na quantidade de material. Pouco material
implica falta de enchimento da cavidade. Muito material causa sobrecarga no molde, com a
probabilidade de danos ao mesmo e na prensa.
Na maquinagem há uma perda em volume do material bastante elevada, já na
conformação as perdas são de aproximadamente 6% em volume.
Punção
Molde Superior
Metal
pré-aquecido
Molde Inferior
Rebarba
Bigorna
Carga
Forjamento Completo
Figura 2.25 - Processo de forjamento
36
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
O forjamento pode ser a quente ou a frio. No forjamento a quente, o processo ocorre a uma
temperatura acima da temperatura de recristalização do material. Na etapa de conformação
final, ocorre a formação de rebarba, devido ao excesso de material. No forjamento
convencional a quente o peso do forjado pode atingir o dobro do maquinado, e a rebarba
representa de 20 a 40% do seu peso, aumentando os custos com a compra de material, sua
manipulação, armazenagem, aquecimento até temperatura de forjamento e maquinagem para
melhor acabamento superficial.
O processo de forjamento a quente geralmente começa pelo corte das barras, em
guilhotina, para obtenção dos tarugos. Os tarugos passam por um forno contínuo para serem
aquecidos e posteriormente forjados em prensa. O forjamento deverá ocorrer em duas ou mais
etapas que permitam o preenchimento adequado das matrizes. As rebarbas do forjado são
retiradas, numa operação de corte, imediatamente após o forjamento. Após o corte, os forjados
são tratados termicamente para obter-se uma microestrutura adequada à maquinagem.
No forjamento a frio não há remoção de material, apresentando uma elevada precisão
dimensional. Consiste num amassamento de um corpo rígido, que é levado a uma forma
desejada pelo deslocamento relativo das partículas do material sólido. O volume do material
que participa da conformação permanece inalterado, portanto não há perda de material.
Defeitos no processo de forjamento:

Penetração incompleta do metal na cavidade da ferramenta. Isso altera o formato
da peça e acontece quando são usados golpes rápidos e leves do martelo/punção;

Fendas superficiais: causadas por trabalho excessivo na periferia da peça em
temperatura baixa, ou por alguma fragilidade a quente;

Fendas nas rebarbas: causadas pela presença de impurezas nos metais ou porque
as rebarbas são pequenas. Elas iniciam-se nas rebarbas e podem penetrar na
peça durante a operação de rebarbação;

Fendas internas: originam-se no interior da peça, como consequência de tensões
originadas por grandes deformações;

Gotas frias: são descontinuidades originadas pela dobra de superfícies, sem a
ocorrência de soldagem. Elas são causadas por fluxos anormais de material quente
dentro das matrizes, incrustações de rebarbas, colocação inadequada do material
na matriz;

Incrustações de óxidos: causadas pela camada de óxidos que se formam durante o
aquecimento.
Essas
incrustações
normalmente
desprendem-se,
mas
ocasionalmente, podem ficar presas nas peças;

Descarbonização: caracteriza-se pela perda de carbono na superfície do aço,
causada pelo aquecimento do metal;

Queima: gases oxidantes penetram nos limites dos contornos dos grãos, formando
películas de óxidos. É causada pelo aquecimento próximo ao ponto de fusão.
37
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
Vantagens do processo de forjamento:

Controlando a deformação durante o processo de forjamento, pode-se melhorar as
propriedades
mecânicas
da peça
produzindo
um
alinhamento direcional,
melhorando assim propriedades de tensões, ductilidade, impacto e resistência a
fadiga.
Desvantagens do processo de forjamento:

As peças a serem forjadas geralmente necessitam de maquinagem depois do
processo de forjamento

Os equipamentos são muito caros
b) Maquinagem
As peças fabricadas por fundição ou conformação podem em alguns casos ser produzidas
com as dimensões finais ou próximas da final, mas normalmente estas peças precisam sofrer
operações complementares para chegar às dimensões finais com a tolerância dimensional
especificada. A tolerância é utilizada para garantir a funcionalidade do produto e principalmente
permitir o intercâmbio das peças. De um modo geral, os processos de fundição ou
conformação não podem produzir de forma economicamente viável o produto na sua
totalidade. Um aspeto importante na seleção de processos de fabrico é determinar as partes a
serem geradas em cada processo e com que tolerância, de modo a minimizar os custos de
fabrico.
A maquinagem propriamente dita, é um processo de fabrico com arranque de apara. Este
processo permite a produção de peças com formas complexas, com apertadas tolerâncias
geométricas e dimensionais e também com um bom acabamento superficial.
A utilização da tecnologia CAD-CAM, aceleraram o fabrico e também, tornam o processo
de maquinagem mais flexível, facilitando alterações de projeto ou fabrico adequadas às
necessidades de componente.
Importação da
geometria do
sistema CAD
Escolha dos
parâmetros de
maquinagem
Geração dos
caminhos de
corte em CAM
Simulação da
trajetoria da
ferramenta
Pós.processam
ento
Figura 2.26 - Sequência de operações CAD-CAM
38
Comunicação
máquina CNC
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
Os processos de maquinagem possuem as seguintes vantagens:

São relativamente mais precisos que os processos de conformação e fundição;

Podem produzir geometrias complexas que são difíceis de serem obtidas por
outros processos;

São adequados para operações posteriores aos tratamentos térmicos, para corrigir
distorções causadas por estes;

Podem gerar superfícies com padrões especiais;

Dependendo do tamanho do lote, para lotes pequenos é mais económico produzir
as peças por maquinagem.
Por outro lado apresenta as seguintes limitações ou desvantagens:

Maior gasto de matéria-prima, trabalho, tempo e energia;

Não melhora e pode até degradar as propriedades mecânicas da peça.
c) Anodização
A anodização consiste num processo eletrolítico. O metal a anodizar é ligado a um polo
elétrico positivo e mergulhado num banho eletrolítico. Neste processo, o metal a anodizar é
transformado no ânodo eletrolítico, formando-se à sua superfície um óxido que será a película
protetora. O polo negativo é ligado a uma peça de carbono, aço inoxidável ou outro metal não
sensível à reação (cátodo). Este processo de anodização pode ser aplicado a vários metais. A
anodização do alumínio conduz à formação do óxido de alumínio convertendo a superfície do
alumínio numa superfície extremamente dura com as seguintes propriedades:

Resistência à corrosão;

Resistência à abrasão;

Dureza;

Resistência à água;

Resistência elétrica. (16)
Este tipo de processo é utilizado em alguns tipos de “triple clamps”, de modo a melhorar a
sua durabilidade, qualidade superficial e estética. A maior parte dos produtos anodizados têm
um tempo de vida extremamente longo oferecendo vantagens significativas do ponto de vista
económico e de manutenção. O exterior da camada anódica é bastante estável aos raios
ultravioleta sem lascar nem descascar. A anodização oferece um largo leque de polimentos e
de colorações. A anodização do alumínio permite manter o aspeto metálico da peça. (16)
39
Revisão da Literatura
____________________________________________________________________________________
Aplicações típicas:

Industria automóvel;

Construção de edifícios;

Aviação;

Joalharia;

Eletrónica;

Armamento;

Marinha;

Aparelhagem médica;

Indústria têxtil.
Figura 2.27 - Exemplo de triple clamp anodizados
Figura 2.28 - Exemplo de componentes anodizados
40
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
3 Projeto e Simulação Numérica
O design de um Triple Clamp em materiais compósitos é um compromisso entre a
tecnologia inerente aos processos de fabrico e as propriedades mecânicas do material.
A indústria automóvel e dos motociclos é uma área onde o baixo peso tem um grande
significado e valor. Os meios de transporte rápidos e modernos são geralmente sinónimo de
estruturas leves, frequentemente feitas de alumínio. A redução de peso resulta em reduzidos
consumos de combustível, velocidades mais elevadas, maiores cargas suportadas e um
reduzido impacto ambiental. Contudo, um sistema estrutural efetivo também impõe grandes
exigências no que diz respeito à resistência do material e plasticidade, no facto de ser fácil de
unir/juntar, a tratamentos de superfície, absorção de energia aquando de impactos, resistência
à corrosão e muito mais. Muitos passos podem ser dados para melhorar o consumo de
combustível e reduzir emissões tóxicas, mas a grande contribuição hoje em dia ainda vem da
redução de peso nas estruturas e componentes.
Devem ser considerados os seguintes requisitos no design/produção de um triple clamp:









Redução massa
Resistência ao impacto
Resistência à fadiga
Redução vibrações
Processo de fabrico
Etapas de produção
Tempo produção
Custo produção
Custo final
Este capítulo será dividido da seguinte forma:

Análise de forças num motociclo;

Estudo/simulação do componente original em alumínio;

Escolha do material compósito;

Análise do componente com o material escolhido;

Identificação e análise das frequências naturais;

Considerações de projeto.
41
Projeto e Simulação Numérica
____________________________________________________________________________________
3.1
Análise de Forças num Motociclo
Um trabalho deste género pode tomar muito tempo com diversas pessoas a trabalhar nele,
uma vez que existem vários conceitos e soluções a serem estudadas, tais como, geometria,
cinemática, dinâmica, impacto…
Portanto, neste projeto vão ser tomadas algumas hipóteses simplificativas de forma a poder
ser atingido o objetivo do trabalho.
Hipóteses simplificativas:

Considerar suspensão rígida. Apesar de assim o valor das forças que atuam nos
triple clamps serem maiores, uma vez que a suspensão não está a funcionar, o
componente vai ser verificado em condições críticas. Logo se corresponder nestas
condições, certamente irá corresponder em circunstâncias normais;

Todas as massas do motociclo estão concentradas no centro de gravidade deste.
O centro de gravidade do motociclo será igual ao do quadro;

O centro de gravidade nunca está fixo, uma vez que o condutor se mexe durante a
sua condução. Quando está a acelerar vai para a parte traseira, enquanto aquando
da travagem transfere-se para a parte dianteira, além disso durante as
curvas/viragens é transferido para baixo. Também o nível de combustível afeta o
centro de gravidade. Neste projeto, o centro de gravidade irá ser considerado
constante;

A transferência de carga durante a aceleração e travagem é considerada
constante;

O piso é considerado plano e em boas condições, por isso as forças produzidas por
irregularidades na estrada não vão ser tidas em conta porque são muito difíceis de
caracterizar e cada uma tem a sua particularidade específica.
Para o cálculo das forças externas foram estudadas as seguintes situações:
42

Aceleração Máxima;

Travagem máxima na roda dianteira;

Travagem máxima na roda traseira;

Quando a moto está dentro da curva com limite de aderência dos pneus.
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
3.1.1
Aceleração Máxima
Algumas hipóteses particulares serão consideradas nesta parte:

A força de resistência ao rolamento é zero;

A força de sustentação aerodinâmica também é considerada zero;

A superfície da estrada é plana.
A aceleração máxima ocorre quando no limite a roda traseira começa a perder o contacto
com o piso. A partir deste momento duas vias podem ser seguidas:

O motociclo gira em torno do ponto de contacto traseiro se este limite não for
ultrapassado;

O momento antes de a roda traseira começar a deslizar., é o momento em que a
roda dianteira perde contacto com o piso.
As seguintes forças atuam num motociclo:

O peso mg atua no seu centro de gravidade;

A força motriz T, que o piso aplica ao motociclo no ponto de contacto com a roda
traseira;

As forças de reação verticais
e
trocadas entre os pneus e o plano do
piso/estrada.
Carga dinâmica na roda dianteira:
(3.1)
Carga dinâmica na roda traseira:
(3.2)
As forças de reação verticais são compostas por dois elementos:

O primeiro termo (carga estática na roda) depende da distribuição do peso:
(3.3)
(3.4)

O segundo termo (transferência de carga), é diretamente proporcional à força
motriz T e à altura h do centro de gravidade, e inversamente proporcional à
distância entre eixos p.
(3.5)
43
Projeto e Simulação Numérica
____________________________________________________________________________________
A relação normal
num motociclo varia entre 0,3 e 0,45.
Figura 3.1 - Esquema de forças aceleração máxima. Adaptado de (17)
Tal como dito anteriormente, a condição de máxima aceleração é quando a roda da frente
perde o contacto com o piso. Esta condição é traduzida por:
(3.6)
Portanto:
(3.7)
(3.8)
44
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
3.1.2
Máxima Travagem na Roda Dianteira
Este caso é similar ao da aceleração máxima. Travagem máxima na roda dianteira é
quando a roda traseira se começa a levantar do chão. Esta condição é traduzida por:
(3.9)
Portanto:
(3.10)
(3.11)
Figura 3.2 - Esquema de forças máxima travagem na roda dianteira. Adaptado de (17)
3.1.3
Máxima Travagem na Roda Traseira
De modo a poder avaliar o papel do travão traseiro durante o ato de travagem no limite do
escorregamento, é preciso levantar alguns pontos em relação às forças que atuam num
motociclo.
Durante a desaceleração produzida pela roda traseira, a carga na roda dianteira aumenta
cerca de 20%, enquanto na roda traseira diminui. Ambas as rodas estão sempre em contacto
com o piso. Apenas muda a transferência de carga. Em últimos momentos, existe derrapagem
45
Projeto e Simulação Numérica
____________________________________________________________________________________
quando a força de travagem é superior à força de atrito dinâmico entre a roda e o piso. Neste
caso, vai ser pressuposto um coeficiente igual a 0,9 entre o piso e a roda.
Muitos condutores de motociclos tendem a se esquecer do travão traseiro, que em certas
circunstâncias fornece uma útil contribuição. O seu uso correto é importante quando se entra
numa curva e durante o movimento retilíneo quando aparece um obstáculo repentino na frente
do motociclo e o piso não está em boas condições (não há boa aderência). A presença da
força de travagem traseira gera um binário que tende a alinhar e a estabilizar o veículo.
(
)
(
)
(3.12)
Onde:

mg é peso;

a é % de transferência de carga da roda traseira para a dianteira. (a=20%);

tcspt é a transferência de carga na posição estática (roda traseira).
(3.13)
(3.14)
Figura 3.3 - Esquema de forças máxima travagem na roda traseira. Adaptado de (17)
Portanto:
(3.15)
(3.16)
(3.17)
46
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Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
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3.1.4
Quando o motociclo está em curva
Vamos considerar um motociclo em curva e em regime permanente. O equilíbrio dos
momentos de forças que atuam no centro de massa mostra que a força lateral normalizada
necessária para assegurar o equilíbrio do motociclo é igual à tangente do ângulo de rolamento,
conforme mostra a próxima figura.
Figura 3.4 - Esquema de forças do motociclo em curva. Adaptado de (17)
Dependendo do tipo de pneu usado há um intervalo desde 0° até X° onde a força lateral
precisa para o equilíbrio é menor que a força de impulsão gerada pela inclinação em si. Uma
vez que a força lateral gerada deve ser exatamente igual à necessária ao equilíbrio, a
diminuição das forças laterais é obtida através de um ângulo de derrapagem negativo. Devido
a isto, a roda apresenta uma componente de velocidade lateral em direção ao interior da curva.
Para valores do ângulo de inclinação superiores a X°, a força lateral produzida pela
inclinação em si não é suficiente para o equilíbrio do motociclo e por isso, o aumento da força
lateral é obtido com o deslizamento lateral do pneu.
Este comportamento é característico dos pneus dos motociclos onde a força lateral gerada
é quase sempre inteiramente devida à componente de inclinação, apresentando um papel
fundamental na sua segurança.
(3.18)
(3.19)
47
Projeto e Simulação Numérica
____________________________________________________________________________________
E sendo assim:
(3.20)
(3.21)
A força F também pode ser obtida pela força centrífuga onde:
(3.22)
Onde:
- raio de curvatura
– velocidade angular
3.1.5
Forças externas (Resumo)
De acordo com as secções anteriores e o ANEXO C, temos:
Regime
Aceleração
Estacionário
Máxima
[N]
Travagem
Travagem
máxima roda
máxima roda
dianteira
traseira
Curva
0
[N]
0
[N]
0
[N]
0
0
0
Tabela 3.1 - Resumo de forças externas
Após
uma
breve
análise
da
TABELA 3.1, pode-se facilmente constatar que a situação que acarreta maiores esforços no
conjunto dianteiro é a de travagem máxima na roda dianteira.
48
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Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
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3.2
Triple Clamp Testado
O triple clamp testado, nomeadamente o triple clamp superior, pertence ao modelo Yamaha
YZF-R1 2000. Este componente foi obtido em (18), sob o formato de modelação 3D em
SolidWorks.
Este componente tem como principais especificações:

Offset = 35 mm;

Diâmetro dos tubos da forquilha = 51 mm;

Distância entre os centros dos tubos da forquilha = 210 mm.
Figura 3.5 - Triple Clamp Superior Yamaha R1 2000. Adaptado de (18)
49
Projeto e Simulação Numérica
____________________________________________________________________________________
3.3
Materiais Testados
Nesta secção será referida a descrição, propriedades e aplicações típicas dos materiais
testados no presente trabalho.
Criar ou modificar componentes para um motociclo ou outro tipo de veículo, é uma ação
bastante séria cujas consequências devido a falhas mecânicas podem acarretar danos sérios
tanto ao motociclo como ao seu condutor. (19)
Hoje em dia, existe uma larga gama de materiais que podem ser aplicados nos diversos
tipos de componentes. Selecionar o material certo para um design/projeto específico é
provavelmente uma das decisões mais importantes. Apesar de existirem outros fatores, para
uma correta escolha do material a utilizar, devem ser respondidas as seguintes questões:

Será que vai funcionar? A resposta a esta questão recai sobre a correspondência
de
critérios
dominantes
ou
primários,
tais
como,
resistência,
dureza,
comportamento elástico, propriedades magnéticas, condutividade elétrica e
térmica.

Será que vai durar? Esta pergunta é respondida pelos critérios importantes de
corrosão e resistência ao calor, bem como a resistência ao desgaste, carregamento
dinâmico, choque e fluência.

Pode ser feito? Esta questão refere-se à fundibilidade, maquinabilidade e
acabamento superficial (revestimento, galvanização e anodização).

Pode ser feito dentro dos limites especificados? As principais limitações da maioria
dos componentes de engenharia ou estruturas são o peso e o custo. De forma a
estas restrições serem cumpridas, precisa-se de uma ideia de custos e pesos
relativos. (19)
50
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3.3.1
Al 6061-T6
O Al 6061 é uma liga de alumínio, que contem como principais elementos de liga o
magnésio e o silício. Tem boas propriedades mecânicas e apresenta uma boa soldabilidade. É
uma das ligas de alumínio mais comuns para fins de uso geral, especialmente estruturas de
alta resistência que requeiram um bom comportamento à corrosão.
Normalmente está disponível num grau pré-temperado, como o 6061-O (recozido), e em
grau temperado como o 6061-T6 e o 6061-T651 Neste caso, o grau T6 significa que o alumínio
foi tratado por solubilização e então envelhecido artificialmente.
Al
Cr
Cu
Fe
Mg
Mn
Si
Ti
Zn
Outros
95.8 -
0.04 -
0.15 -
Max
0.8 -
Max
0.4 -
Max
Max
Max
98.6
0.35
0.4
0.7
1.2
0.15
0.8
0.15
0.25
0.15
Tabela 3.2 - Composição química Al 6061 (20)
2700
Módulo de Young [GPa]
68.9
Tensão de cedência [MPa]
276
Tensão de rutura [MPa]
310
Coeficiente de Poisson
0.33
Tensão limite de fadiga [MPa]
96.5 para 5x10^9 ciclos
Maquinabilidade [%]
50
Temperatura de Fusão [°C]
582 - 652
Tabela 3.3 - Propriedades Mecânicas e Térmicas Al6061-T6 (20)
Aplicações típicas





Usado na construção de estruturas de aviões, como asas e fuselagens;
Construção de iates, incluindo pequenas embarcações;
Garrafas de ar comprimido para mergulhos e equipamentos de respiração
assistida;
Construção de quadros e outros componentes de bicletas;
Carretos de pesca.
51
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____________________________________________________________________________________
3.3.2
Al 7075-T6
O Al 7075 é uma liga de alumínio que contém como principal elemento de liga o zinco. Tem
boas propriedades mecânicas, apresentando uma resistência comparável a vários aços, boa
resistência à fadiga mas uma menor resistência à corrosão que outras ligas de alumínio. É uma
das ligas de alumínio mais comuns para fins de uso geral, especialmente estruturas de alta
resistência que requeiram um bom comportamento à corrosão.
Normalmente está disponível num grau pré-temperado, como o 7075-O (recozido), e em
grau temperado como o 7075-T6 e o 7075-T651 Neste caso, o grau T6 significa que o alumínio
foi tratado por solubilização e então envelhecido artificialmente.
Al
Cr
Cu
Fe
Mg
Mn
Si
Ti
Zn
Outros
87.1 -
0.18 -
1.2 -
Max
2.1 -
Max
Max
Max
5.1 –
Max
91.4
0.28
2
0.5
2.9
0.3
0.4
0.2
6.1
0.15
Tabela 3.4 - Composição química Al 7075 (21)
2810
Módulo de Young [GPa]
71.7
Tensão de cedência [MPa]
503
Tensão de rutura [MPa]
572
Coeficiente de Poisson
0.33
Tensão limite de fadiga [MPa]
159 para 5x10^9 ciclos
Maquinabilidade [%]
70
Temperatura de Fusão [°C]
477-635
Tabela 3.5 - Propriedades Mecânicas e Térmicas Al7075-T6 (21)
Aplicações típicas:




52
Componentes de bicicletas;
Moldes;
Construção de aviões militares, barcos e alguns componentes de automóveis;
Equipamentos de lacrosse e escalada.
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____________________________________________________________________________________
3.3.3
HexMC
O HexMc é um composto de moldação baseado em pré-impregnados de fibras
descontínuas curtas, neste caso, fibra de carbono. Este material é distribuído pela empresa
Hexcel (22), sob a forma de rolo.
Este composto é especialmente concebido para ser utilizado na moldação por compressão,
permitindo rápidos ciclos de processamento. Durante o processo de fabrico, não existe
desperdício de material. A sua matriz é de epoxy e apresenta um volume de fibra de carbono
de alta resistência (HS Carbon) de 57%. O comprimento das fibras é de 50 mm (23). As fibras
estão distribuídas aleatoriamente, daí este tipo de material ser considerado quasi-isotrópico.
Figura 3.6 - Distribuição aleatória das fibras curtas
Na seguinte tabela, poderão ser consultadas algumas das propriedades do material.
1550
Módulo de Young [GPa]
30
Tensão de cedência [MPa]
300
Tensão de rutura [MPa]
500
Tabela 3.6 - Propriedades HexMC (23)
53
Projeto e Simulação Numérica
____________________________________________________________________________________
Figura 3.7 - Comparação da densidade do HexMC com outros materiais. Adaptado de (24)
Tensão de cedência específica
250,00
200,00
150,00
100,00
50,00
0,00
Al 6061-T6 al 7075-t6 Mg AZ 91D
Aço ao
carbono
1040
SMC Std
Glass fiber
Ti 6Al 4V
HexMC
Figura 3.8 - Comparação da tensão de cedência específica do HexMC com outros materiais.
Adaptado de (24)
54
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____________________________________________________________________________________
Módulo específico
30
25
20
15
10
5
0
Al 6061-T6 al 7075-t6 Mg AZ 91D
Aço ao
carbono
1040
SMC Std Ti 6Al 4V
Glass fiber
HexMC
Figura 3.9 - Comparação do módulo específico do HexMC com outros materiais. Adaptado de (24)
A tensão de cedência específica do HexMC é quase duas vezes supeior à do Al6061-T6 e
ligeiramente superior à do Al7075-T6. Pode ser equiparado neste capítulo a uma das ligas de
titânio mais utilizadas, o Ti-6Al-4V (grau 5).
Quando ao módulo específico, este é inferior ao dos alumínios testados, o que se irá
traduzir em maiores deslocamentos no componente.
Figura 3.10 - Exemplos de aplicação de compostos de moldação
55
Projeto e Simulação Numérica
____________________________________________________________________________________
3.4
Aplicação de Elementos Finitos
Após o cálculo das forças aplicadas nas diferentes situações, agora é o momento de as
aplicar no componente e testá-lo com os diferentes materiais. A engenharia tem como um dos
seus objetivos tentar compreender o comportamento de um sistema e transformá-lo num
modelo matemático. Através dos modelos matemáticos, podemos prever o que pode vir a
acontecer em determinada situação e após isso tentar melhorar a performance do sistema.
Hoje em dia, através dos softwares de simulação numérica este processo é bastante mais
simplificado, intuitivo e fácil de utilizar. No caso do presente trabalho, o software utilizado foi o
Abaqus.
Contudo, é importante de se perceber que os resultados finais obtidos pelos softwares de
elementos finitos não são a situação real, sendo apenas uma aproximação dependendo das
decisões do engenheiro/projetista. Os resultados finais podem ser mais ou menos precisos,
obtidos de uma forma mais ou menos rápida, dependendo da capacidade do computador em
processar as diversas operações.
Os programas de elementos finitos apresentam diferentes passos no seu processo global
para ser obter os resultados finais:

Necessária uma geometria para ser analisada. Neste caso, a geometria foi
realizada no software SolidWorks e posteriormente importada para a área de
trabalho do Abaqus;

Definir o material do componente nas suas várias secções e o tipo de elemento
(Casca, Compósito ou Homogéneo);

Definir o tipo de estudo a ser feito: Caso Estático ou Dinâmico;

Definir as condições de fronteira, ou seja, especificar onde não existe
deslocamento ou outras condições;

Colocar as forças externas no componente;

Definir a malha da geometria a analisar;

Submeter os dados e recolher os resultados da análise.
Este processo é iterativo, uma vez que por vezes temos que voltar a definir alguns
parâmetros e otimizar o processo de forma aos resultados obtidos estarem de acordo com o
esperado.
56
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____________________________________________________________________________________
3.5
Resultados obtidos
O caso estudado foi um caso estático, com uma malha de elementos tetraédricos. O
número de elementos utilizados foi de 12496 e o número de nós 27554.
Figura 3.11 - Malha de elementos finitos utilizada
No que diz respeito às condições de fronteira, foi considerado que a zona do eixo da
direção estava encastrada assim como a zona onde se encontram os parafusos para o ajuste
dos tubos da forquilha. As cargas existentes foram introduzidas nas zonas dos tubos da
forquilha.
Figura 3.12 - Condições de fronteira do modelo
57
Projeto e Simulação Numérica
____________________________________________________________________________________
Em todos os casos, foi considerado o material do componente como isotrópico, mesmo
para o HexMC. Esta aproximação do HexMc deve-se às suas propriedades quasi-isotrópicas.
Tendo em conta dos dados da SECÇÃO 3.1.5, a situação mais crítica para o conjunto
dianteiro é a situação de travagem máxima na roda dianteira.
Após aplicação de elementos finitos ao modelo geométrico do componente, com a devida
colocação das condições de fronteira e forças externas calculadas no ANEXO D.1, foram obtidos
os seguintes resultados:
Al 6061-T6
Al 7075-T6
HexMC
72,2
72,2
72,2
276
503
300
3,82
6,97
4,16
Tabela 3.7 - Resultados obtidos para o caso de travagem máxima na roda dianteira
Figura 3.13 - Distribuição de tensões no caso de travagem máxima na roda dianteira e identificação
das zonas críticas
Através da FIGURA 3.13, é possível verificar que a tensão máxima verificada no
componente é de 72,2 MPa. As zonas críticas para esta situação situam-se na zona onde são
inseridos os tubos da forquilha.
58
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____________________________________________________________________________________
Deslocamento no caso de travagem máxima na roda dianteira
Al 6061-T6
Al 7075-T6
HexMC
Tabela 3.8 - Deslocamento no caso de travagem máxima na roda dianteira para os vários materiais
A nível de deslocamentos, como seria de prever, o HexMC apresenta deslocamentos
maiores do que os alumínios testados, devido ao seu módulo de Young inferior.
59
Projeto e Simulação Numérica
____________________________________________________________________________________
3.6
Identificação das frequências naturais
Hoje em dia, uma característica principal dos veículos – especialmente os de duas rodas –
é o conforto do condutor e dos seus passageiros, que, infelizmente, pode ser afetado por
vibrações indesejáveis.
Apesar de as vibrações mecânicas serem maioritariamente provenientes da má qualidade
do piso, o uso de pneus de qualidade superior e de bons sistemas de suspensão pode ajudar a
reduzir os efeitos nefastos destas vibrações. Para além disto, o conforto do condutor e dos
passageiros pode também ser afetado por vibrações mecânicas causadas pelo motor, onde por
vezes, as vibrações não são suficientemente filtradas pelos seus apoios. (25)
As frequências naturais são realmente importantes para serem estudadas e identificadas.
Através desta identificação, é possível saber quando o sistema pode vibrar, podendo alguns
problemas dinâmicos ser corrigidos ou diminuídos durante a fase de design ou processos de
teste, modificando a estrutura original.
Em geral, o isolamento de vibrações consiste em reduzir a grandeza de forças dinâmicas
transmitidas por componentes móveis ou equipamentos para as suas fundações de suporte
(transmissão ativa), ou em reduzir o movimento transmitido para os equipamentos por bases
móveis (transmissão passiva). (26)
A transmissibilidade de força representa a fração da amplitude de força de excitação que é
transmitida à base. Na FIGURA 3.14, apresenta-se a representação paramétrica da
transmissibilidade para diferentes valores da razão de amortecimento ξ.
Figura 3.14 – Transmissibilidade em função da razão de frequência. Retirado de (26)
60
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
A análise da variação da transmissibilidade em função da frequência de excitação ω, ou da
razão de frequências β, permite-nos concluir o seguinte:

A região de isolamento de vibrações, em que a transmissibilidade é inferior a 1,
verifica-se para
√ . Assim, para uma dada frequência de excitação ω, os
apoios devem ser selecionados de modo a que a frequência natural
seja inferior a
√
. Como
do sistema
√ , e a massa dos apoios é geralmente muito menor
do que a massa dos sistema, apoios adequados de isolamento são normalmente
selecionados na base da sua rigidez;

Como a transmissibilidade, na região de isolamento, diminui à medida que
aumenta, quanto menos rígidos os apoios maior será a eficiência de isolamento, é,
no entanto, desejável a presença de amortecimento para atenuar o pico de
resposta quando o sistema passa pela frequência de ressonância durante as fases
de arranque e de paragem;

Para
, as curvas de transmissibilidade são praticamente idênticas para um
amortecimento
, de modo que nesta zona a transmissibilidade de
força ou do movimento da base é praticamente independente do amortecimento.
Mediante esta análise, pode-se concluir que se deve proceder ao design dos componentes
de suspensões de motociclos atendendo ao facto de que estes devem possuir frequências
naturais baixas. Com frequências naturais baixas, mediante as diversas frequências de
excitação que um motociclo sofre, consegue-se um melhor isolamento de vibrações e
consequente melhor conforto para o condutor.
Na FIGURA 3.15, podem ser consultadas as cinco primeiras frequências naturais do
componente apara o Al6061/Al7075 e HexMC, obtidas através do software Abaqus. As
frequências do Al6061 e do Al7075 são idênticas uma vez as suas densidades são
aproximadamente iguais e a geometria do componente é igual em ambos os casos.
61
Projeto e Simulação Numérica
____________________________________________________________________________________
6
Frequência Natural [Hz]
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
Frequências Naturais Al6061T6
2,16
2,63
4,1
4,12
4,93
Frequências Naturais HexMC
2,12
2,58
4,02
4,04
4,83
Figura 3.15 - Frequências naturais Al 6061 e HexMC
Da análise da figura anterior, pode-se observar que nos dois casos as frequências obtidas
são baixas. Para material HexMC as suas frequências naturais são ligeiramente mais baixas
que as dos alumínios testados. Isto é importante perante o que já foi dito anteriormente, uma
vez que com frequências naturais baixas entramos na zona de isolamento de vibrações.
Deste modo, pode-se assim afirmar que o material HexMC proporciona um melhor
isolamento de vibrações transmitidas, tendo em conta que a sua frequência natural é
ligeiramente mais baixa.
62
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
3.7
Impacto
As situações de impacto são bastante complexas de serem traduzidas por modelos
matemáticos e de se caracterizar. Foi encontrado em (6), um gráfico que mostra a força de
contacto pneu dianteiro/piso, quando o motociclo passa por um degrau/queda de 0,05 metros a
100 km/h. O gráfico pode ser consultado na seguinte figura.
Figura 3.16 - Força Contacto Pneu Dianteiro – Piso durante passagem em degrau/queda com 0.05 m
a 100 km/h. Adaptado de (6)
No caso da FIGURA 3.16, podemos verificar que a força de contacto pneu dianteiro – piso,
em estado estacionário é de cerca 1100N. Entre os 0,1 e os 0,16 segundos a roda dianteira
está no ar, ou seja, a força de contacto com o piso é igual a 0, como esperado. No momento
em que a roda volta a entrar em contacto com o piso, a força de contacto dispara para o valor
de aproximadamente 3600 N. A flutuação da força ao longo do tempo após o impacto é devida
ao amortecimento, que é considerado neste caso. A dissipação das forças de impacto
dependem muito das características quer da suspensão, quer do pneu
Após aplicação de elementos finitos ao modelo geométrico do componente, com a devida
colocação das condições de fronteira e forças externas, nomeadamente força de impacto e
força transmitida ao triple clamp, calculadas no ANEXO D.2, foram obtidos os seguintes
resultados:
Al 6061-T6
Al 7075-T6
HexMC
82
82
82
276
503
300
3,37
6,13
3,66
Tabela 3.9 - Resultados obtidos para o caso de impacto
63
Projeto e Simulação Numérica
____________________________________________________________________________________
Onde:
– coeficiente de segurança
Estes resultados foram obtidos com uma
.
e uma corresponde
De modo a tentar obter tensões máximas próximas das tensões de cedências dos
materiais, através de um processo iterativo, foi-se aumentado o valor da carga aplicada e
retirando o valor da tensão de Von Mises máxima instalada.
Os resultados foram os seguintes:
21925,09
23752,18
27406,36
36541,82
38368,91
40196
45677,27
63948,18
24000
26000
30000
40000
42000
44000
50000
70000
282,207
305,729
352,762
470,349
493,871
517,394
587,949
823,123
Tabela 3.10 - Resultados obtidos para situação de impacto via processo iterativo
Estes resultados foram obtidos com o software de elementos finitos de acordo com o
ANEXO D.2, onde se considera que a força de impacto corresponde à força de contacto rodapiso. Através destas considerações e da TABELA 3.9, foi elaborado o seguinte gráfico:
Tensão Von Mises Máx. [MPa]
650
600
y = 0,0129x - 0,0132
550
500
450
400
350
300
250
200
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
Força de Contacto Roda-Piso [N]
Figura 3.17 – Gráfico força de contacto vs. Tensão de Von Mises máxima
64
55000
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
Através do gráfico da FIGURA 3.17, foi obtida a linha de tendência cuja equação é:
Em que:
y – tensão de Von Mises máxima [MPa]
x – força de contacto roda piso [N]
Sendo assim, foi calculada a força de contacto/ força de impacto a partir da qual se chega à
tensão de cedência em cada um dos três materiais:
Al 6061-T6
Al 7075-T6
HexMC
276
503
300
21396,372
38993,271
23256,837
Tabela 3.11 - Resultados obtidos para o caso de força de impacto máxima
Figura 3.18 - Distribuição de tensões para o HexMC em situação de impacto máximo
Figura 3.19 - Identificação da zona crítica em situação de impacto máximo
65
Projeto e Simulação Numérica
____________________________________________________________________________________
Mais uma vez com se pode observar pela Tabela 3.11, o valor dos deslocamentos no caso
do HexMC é o maior de todos os materiais testados. Apesar disso, o valor obtido 2,316 mm, é
um valor que não põe a estrutura em risco.
Segundo o ANEXO D.2, o valor da força de contacto roda dianteira – piso em regime
estacionário é de 1937,475 N.
Al 6061-T6
Al 7075-T6
HexMC
276
503
300
11,043
20,126
12,004
Tabela 3.12 - Força de impacto / Força de contacto em regime estacionário
22
y = 0,04x + 0,0005
Fimpacto / Fcontacto
20
18
16
14
12
10
8
250
300
350
400
450
500
550
Tensão de cedência do material [MPa]
Figura 3.20 - Força de impacto / Força de contacto em regime estacionário vs. Tensão de cedência
do material
No caso de impacto podemos afirmar que o HexMC suporta aproximadamente 12 vezes a
força de contacto do pneu dianteiro em regime estacionário. Este valor é ligeiramente superior
ao do Al6061-T6.
66
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
3.8
Considerações de projeto
O projeto de componentes com compostos de moldação estruturais deve levar em conta:

Forma do componente e requisitos funcionais;

Pré-forma de carga para o molde;

Projeto do molde (determinação da carga de carregamento, como o fluxo irá
ocorrer e como o componente será removido);

O efeito do projeto nos custos de produção globais. (14)
Cada um destes pontos deverá ser considerado, de forma a atingir o melhor design, que
corresponda às necessidades de peso, performance e custo.
Para além do referido, devem ser evitadas mudanças bruscas de espessura no projeto da
peça. Isto pode causar, com que as fibras acabem numa transição, resultando em
concentração de tensões. Isto é particularmente indesejável nos cantos, pelo que devem ser
consideradas transições com raios generosos. (14)
Nas áreas onde são aplicadas cargas, nomeadamente nos locais onde existem parafusos
para fixação e onde se inserem os tubos da forquilha e o eixo de direção, devem ser colocados
insertos metálicos. Isto devido à reação galvânica existente entre o carbono e o alumínio, nas
zonas em que estes entram em contato. (14)
Este aspeto é bastante importante durante a escolha do processo, uma vez que é
necessário garantir uma correta colocação do inserto durante a fase de cura.
67
Projeto e Simulação Numérica
____________________________________________________________________________________
68
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
4 Processos de Fabrico e Análise de
Custos
Neste capítulo irá ser abordado o processo de fabrico do componente com o material
compósito escolhido, assim como será feita uma análise de custos simples de forma a se poder
comparar os diferentes materiais e processos inerentes.
4.1
Processo de fabrico HexMC
O HexMC é um material que se encontra adequado à produção em massa. Para tal, é
necessário o uso de moldes metálicos devido às elevadas pressões e temperaturas para
moldar e curar o HexMC. Os moldes são tipicamente feitos em aço ao carbono. A superfície do
molde pode ser revestida em níquel ou cromada, para um ótimo acabamento superficial. O
design do molde e a sua tecnologia de fabrico são bastante semelhantes às usadas para o
processamento do SMC.
Existem várias combinações de temperatura e tempos de cura, mas na maioria dos casos é
utilizada a maior temperatura de cura possível de forma a minimizar o tempo do material na
prensa e consequentemente minimizar o tempo de produção. As características que podem
afetar o tempo de moldação são a espessura da peça e a instalação da pré-forma.
Os insertos metálicos necessários são integrados no processo de moldação, evitando
assim processos adicionais.
O ciclo típico de cura para por exemplo um componente com espessura de 4 mm é dado
pela seguinte tabela.
Temperatura
Tempo de cura
120°C
8 min
130°C
6 min
140°C
4 min
150°C
3 min
Tabela 4.1 - Temperatura e tempo de cura para o HexMC para espessura de 4 mm (23)
69
Processos de Fabrico e Análise de Custos
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Figura 4.1 - Etapas do processo de fabrico do HexMC. Adaptado de (24)
70
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
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Etapas do processo de fabrico:
1. O HexMC é fornecido em rolo. Deve ser retirado da câmara frigorífica e permitir
que aqueça até à temperatura ambiente para um mais fácil manuseio. Após
remoção do filme protetor, o material é cortado e pesado conforme as
necessidades do componente a produzir;
2. Dependendo do componente a ser moldado, a pressão deve-se situar entre 50 e
150 bar e a temperatura entre 110°C e 125°C;
3. A carga/pré-forma é colocada no interior do molde de compressão. É recomendado
que aproximadamente 80% da área do molde esteja coberta. Deve ser aplicado um
desmoldante ao molde também;
4. Sob temperatura e pressão, o material flui e preenche o molde. Dá-se aqui o tempo
de cura necessário. O tempo e a temperatura de cura varia de acordo com a
espessura do componente. Um ciclo típico de cura é 15 minutos a 120°C.
5. Após a cura, deve-se retirar o componente. È aconselhado um molde equipado
com pinos de ejeção para ajudar à desmoldação. O HexMC é formulado com um
desmoldante interno, por isso o molde apenas necessita de ser revestido a cada 5
componentes moldados;
6. Exemplo de componente final após desmoldação.
71
Processos de Fabrico e Análise de Custos
____________________________________________________________________________________
4.2
Análise de Custos
A análise de custos é um fator muito importante no processo de desenvolvimento de
produto, uma vez que pode aprovar ou inviabilizar uma hipotética solução ou projeto.
O custo de produção de um componente é a totalidade de custos incorridos na sua
produção durante um determinado período tempo. É composto por três elementos: materiais
diretos, mão-de-obra direta e custos indiretos de fabrico.

Materiais diretos: referem-se a todo material que se integra no produto e que
possa ser incluído diretamente no cálculo do custo do produto. Ex: matéria-prima,
componentes secundário, material de embalagens;

Mão-de-obra direta: é o custo de qualquer trabalho executado no produto
alterando a forma e natureza do material de que se compõe. Ex: gasto total com
salários e encargos com a mão-de-obra relacionada diretamente ao produto;

Custos indiretos de fabrico: são os outros demais custos necessários para a
operação da fábrica. Ex: materiais indiretos, mão-de-obra indireta, energia elétrica,
seguro e aluguer da fábrica, depreciação de máquinas.
A análise feita irá apenas incidir sobre a componente dos materiais diretos, nomeadamente,
sobre o custo da matéria-prima em cada processo.
O preço dos alumínios foi obtido junto da empresa “Lanema” e do HexMC junto da empresa
“Hexcel”.
Preço [€/kg]
Al 6061-T6
6,60
Al 7075-T6
7,80
HexMC
105
Tabela 4.2 – Preço [€/kg] de cada material testado
Massa Componente [kg]
Al 6061-T6
0,516
Al 7075-T6
0,537
HexMC
0,296
Tabela 4.3 - Massa final do componente para cada material testado
72
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Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
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Como se pode observar através da TABELA 4.3 , existe uma redução bastante significativa
na massa do componente. Em relação ao Al6061-T6 existe uma redução de 42,6% e no
Al7075-T6 de 44,9%.
De forma a poder maquinar o componente é necessária uma placa com as seguintes
dimensões: 269,92 x 112,95 x 41 mm.
Figura 4.2 - Placa necessária para maquinar o componente
Maquinagem
Massa Necessária [kg]
Preço Matéria Prima /Peça[€]
Al 6061-T6
3,375
22,28
Al 7075-T6
3,513
27,40
Tabela 4.4 - Preço Matéria-Prima/Peça [€] para processo de maquinagem
Na maquinagem existe um grande desperdício de matéria-prima, neste caso existe um
desperdício de material de aproximadamente 84,7%. Temos assim um preço de matéria-prima
por peça de 22,28€ para o Al6061-T6 e de 27,40 para o Al7075-T6. A maior parte dos “triple
clamps” maquinados pertencem a um mercado mais de personalização, onde os condutores
tentam substituir o componente original por outro com diferente valor de “offset”, mudando
assim as características do motociclo.
Como referido na SECÇÃO 2.5.7, no forjamento entre 20 a 40% do material é rebarba, logo à
massa final do componente temos de adicionar este aumento. Considerando o valor mais alto,
temos:
Forjamento
Massa Necessária [kg]
Preço Matéria Prima /Peça[€]
Al 6061-T6
0,860
5,68
Al 7075-T6
0,895
6,98
Tabela 4.5 - Preço Matéria-Prima/Peça [€] para processo de forjamento
73
Processos de Fabrico e Análise de Custos
____________________________________________________________________________________
Neste caso temos um preço de matéria-prima por peça de 5,68€ para o Al6061-T6 e de
6,98€ para o Al7075-T6. Após o processo de forjamento, é sempre necessária uma etapa de
maquinagem, de modo a melhorar a qualidade superficial do componente e a proceder a
alguns ajustes, o que irá aumentar o preço final da peça.
No processo de moldação por compressão não existe desperdício de material, o que é uma
das suas principais vantagens. Outra vantagem, apesar do custo da matéria-prima, é o facto de
o produto após moldação, não necessitar de mais operações. Sendo assim, o preço da
matéria-prima por peça é de 31,08€.
Moldação por
compressão
HexMC
Massa Necessária [kg]
Preço Matéria Prima /Peça[€]
0,296
31,08
Tabela 4.6 - Preço Matéria-Prima/Peça [€] para processo de moldação por compressão
74
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5 Discussão de Resultados e Trabalhos
Futuros
Uma das principais dificuldades no presente trabalho foi a caracterização das cargas a
aplicar no modelo de elementos finitos para simulação numérica. Especialmente devido ao
facto, do componente testado pertencer a um conjunto onde se integra a suspensão do
motociclo, com as suas características específicas de rigidez e amortecimento. As situações de
impacto também são difíceis de caracterizar, sendo talvez o método utilizado não muito
adequado. Contudo deu para se obter uma primeira impressão dos valores que se podem
atingir. Ao nível dos materiais, deveriam ser testadas outras possibilidades de materiais cujo
custo da matéria-prima fosse mais baixo e que fossem viáveis de produzir por outros
processos, tais como, o RRIM, SRIM ou RTM. A nível de análise de custos seria também
importante ter uma melhor ideia do custo final de cada processo, não só do preço da matériaprima por componente mas também dos custos associados ao processo de fabrico em si. Só
deste modo é que poderia ser feita uma melhor avaliação da viabilidade do material testado.
No que diz respeito a trabalhos futuros, estes deverão ser divididos em 4 etapas. A primeira
etapa a ser considerada (A) engloba a instrumentação do triple clamp superior e inferior de um
motociclo nas zonas previamente consideradas com críticas, isto é, sujeitar o motociclo a
diversas situações típicas, travagem, curva, aceleração e impacto. Mediante a avaliação das
cargas obtidas, deverá ser refinado o modelo de simulação numérica e proceder ao teste do
material compósito escolhido (etapa B). Como este componente está sujeito a vários ciclos de
travagem e de outras solicitações cíclicas durante uma viagem, é importante testar este
componente à fadiga. Esta é a etapa C, onde se devem comparar e analisar os resultados
obtidos nos diferentes tipos de material. A última etapa (D), é a verificação da possibilidade de
redesign do componente. Neste redesign, deve ter-se em conta como principal objetivo a
redução de peso, mantendo as principais especificações do triple clamp original,
nomeadamente:

Offset;

Distância entre tubos;

Diâmetro dos tubos da forquilha e da coluna de direção.
75
Discussão de Resultados e Trabalhos Futuros
____________________________________________________________________________________
Triple Clamps instrumentados nas zonas críticas
Sujeitar o motociclo a várias situações
Avaliar as cargas obtidas
Refinar o modelo de simulação numérica
Teste do material compósito selecionado
Ensaio de fadiga do componente
Comparação dos alumínios com a solução em materiais compósitos
Verificar a possibilidade de redesign do componente
Figura 5.1 - Etapas para trabalhos futuros
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6 Conclusões
Como uma nova forma de material, os compostos de moldação baseados em préimpregnados de fibra curta, apresentam uma boa solução na substituição do alumínio. No caso
do presente trabalho, o composto de moldação HexMC oferece uma boa oportunidade de
substituir o Al 6061-T6 neste tipo de componente, alcançando uma boa economia no peso,
mas mantendo os requisitos de resistência do material. As capacidades de moldação e os
elevados requisitos de resistência fazem do HexMC um bom candidato para atender às
especificidades da substituição do alumínio. Uma das suas desvantagens é o elevado custo da
matéria-prima, o que poderá inviabilizar a sua utilização.
Com a crescente demanda na utilização de compósitos em aplicações estruturais, há uma
real necessidade de substituição dos componentes de interface, de forma a não se criar reação
galvânica com o carbono. Com esta substituição dos componentes de interface, não haverá tão
grande necessidade de colocação de insertos metálicos, diminuindo assim o custo global do
componente. Quando se fala em componentes de interface nesta caso, está a fazer-se
referência aos tubos da forquilha e eixo da coluna de direção. Uma boa possibilidade de estudo
seria uma suspensão dianteira integralmente feita em compósitos com fibra de carbono ou
outros materiais compósitos adequados à situação.
Ao nível do trabalho realizado uma das principais dificuldades foi a realização de
simulações em elementos finitos, uma vez que as situações de impacto são bastante difíceis
de se caracterizar e modelizar. A informação existente para a análise deste tipo de solicitações
é bastante escassa, contudo os principais objetivos do trabalho foram cumpridos.
Quanto a trabalhos futuros é importante tentar avaliar as cargas existentes no componente
nas diversas situações durante uma viagem, refinar/melhorar o modelo de elementos finitos,
testar o componente à fadiga, verificar a possibilidade de redesign e melhorar o modelo de
análise de custos.
77
Conclusões
____________________________________________________________________________________
78
Helder Marques
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____________________________________________________________________________________
Referências
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Limebeer, D. J. N. e Sharp, R. S. s.l. : IEEE Control Systems Magazine, 2006, pp. 34-61.
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10. Materiais Compósitos - Slides da disciplia. Freitas, Manuel e Silva, Arlindo. s.l. :
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11. Gay, Daniel e V.Hoa, Strong. Composite Materials - Design and Applications. 2007.
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Referências
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34.
Hexcel.
Brochura
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http://www.hexcel.com/Resources/DataSheets/Brochure-Data-Sheets/HexMC.pdf.
80
[Online]
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
Anexo A Parâmetros geométricos de
um motociclo
Os parâmetros geométricos mais usados para descrever motociclos são os seguintes:

Distância entre eixos;

Ângulo rake ou ângulo da suspensão/forquilha ;

Trail.
Estes parâmetros são medidos com o motociclo na posição vertical e com um ângulo de
direção no guiador igual a zero.
A distância entre eixos é a distância entre os pontos de contacto dos pneus na estrada. O
ângulo rake é o ângulo entre o eixo vertical e o eixo de rotação da parte dianteira (eixo da
coluna de direção). O trail é a distância, medida no plano do piso, entre o ponto de contacto da
roda dianteira e o ponto de intersecção do eixo do cabeçote de direção com a estrada.
Estes parâmetros são importantes para definir a manobrabilidade de um motociclo. Não é
comum, contudo, analisar os efeitos produzidos apenas por um parâmetro geométrico,
independentemente dos outros, devido à forte interação entre eles. Em seguida vão ser
apresentadas algumas considerações sobre o modo como estes parâmetros influenciam o
comportamento dinâmico e cinemático dos motociclos.
O valor da distância entre eixos varia de acordo com o tipo do motociclo.
Distância entre eixos
Tipo de Motociclos
<1200 mm
Scooters
Entre 1200 e 1350
Motociclos pequenos (125 cc)
Entre 1350 e 1600
Motociclos de média dimensão (250 cc)
>1600
Motociclos touring
Tabela A.1 - Variação da distância entre eixos em função do tipo de motociclo. Adaptado de (2)
81
Anexo A – Parâmetros geométricos de um motociclo
____________________________________________________________________________________
De um modo geral, um aumento na distancia entre eixos, assumindo que todos os outros
parâmetros se mantem constantes, leva a:

Um desfavorável aumento na deformabilidade flexional e torsional no quadro do
motociclo. Estes parâmetros são muito importantes na manobrabilidade (quadros que
são mais deformáveis tornam o motociclo menos manobrável);

Um desfavorável aumento no raio de curvatura mínimo, uma vez que torna mais difícil
de virar numa trajetória que tenha um pequeno raio de curvatura;

De forma a virar, será necessário aplicar um binário maior ao guiador;

Uma diminuição favorável na transferência de carga entre as duas rodas durante as
fases de aceleração e travagem;

Um aumento favorável na estabilidade direcional do motociclo.
Figura A.1 - Valores típicos de distância entre eixos (6)
O trail e o ângulo rake são especialmente importantes na medida em que eles definem as
características geométricas da coluna de direção. A definição das propriedades de
manobrabilidade e estabilidade direcional dos motociclos dependem destas características,
para além de outras.
O ângulo rake varia de acordo o tipo de motociclo. Desde um ponto de vista estrutural, um
ângulo pequeno causa uma notável quantidade de esforço na forquilha durante a travagem.
Uma vez que a forquilha é bastante deformável, tanto à flexão como à torsão, pequenos
valores do angulo podem levar a esforços elevados e por isso maiores deformações, o que
pode causar vibrações perigosas no conjunto dianteiro.
82
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
Figura A.2 - Valores típicos do ângulo rake (6)
O valor do angulo rake (ângulo da forquilha) está intimamente relacionado com o valor do
trail. Em geral, de modo ao motociclista ter um boa sensação de manobrabilidade, um aumento
do ângulo rake deve ser acoplado com um correspondente aumento do trail.
O valor do trail depende do tipo de motociclo e da sua distância entre eixos.
Figura A.3 - Valores típicos da distribuição do peso - % na roda da frente (6)
83
Anexo A – Parâmetros geométricos de um motociclo
____________________________________________________________________________________
Figura A.4 - Valores típicos da altura do centro de gravidade (6)
Figura A.5 - Esquema de motociclo e identificação dos seus principais parâmetros geométricos.
Adaptado de (17)
Símbolo
Parâmetro
Símbolo
Parâmetro
Cog
Centro de gravidade
h
Altura do cog
p
Distância entre eixos
c
Angulo de rake
b
Distância do cog para a
o
Offset
T
Trail
f
Ângulo de transferência
frente
p-b
Distância do cog para
trás
Rf
Raio roda frente
de carga
Rr
Raio roda trás
Tabela A.2 - Simbologia e identificação de parâmetros da FIGURA A.5
84
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
Anexo B Características Yamaha YZFR1 2000
Comprimento total
2035 mm
Largura total
695 mm
Altura total
1105 mm
Altura do assento
815 mm
Distância entre eixos
1395 mm
Altura Centro de Gravidade
550 mm
Trail
92 mm
Offset da forquilha
35 mm
Rake
24°
Peso seco (sem óleo nem combustível)
175 kg
Peso
194 kg
Carga máxima
(condutor+passageiro+acessórios…)
201 kg
Raio roda dianteira
300 mm
Raio roda traseira
311 mm
Tipo suspensão dianteira
Forquilha telescópica
Curso dos garfos suspensão
135 mm
Comprimento livre da mola de suspensão
255 mm
Comprimento instalado
242,4 mm
Constante rigidez da mola
7,35 N/mm
Curso da mola
0 – 135 mm
Tabela B.1 - Características Yamaha YZF-R1 2000 (28)
85
Anexo B – Características Yamaha YZF-R1 2000
____________________________________________________________________________________
86
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Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
Anexo C Cálculo de Forças Externas
C.1 Regime estacionário
Em primeiro lugar, irão ser calculadas as forças de contacto do motociclo em regime
estacionário.
Figura C.1 - Esquema de forças motociclo em estado estacionário. Adaptado de (17)
(C.1)
(C.2)
Considerando os valores apresentados no ANEXO B, temos:
(C.3)
(C.4)
87
Anexo C – Cálculos de Forças Externas
____________________________________________________________________________________
C.2 Aceleração Máxima
Segundo as equações 3.7 e 3.8 e a SECÇÃO 3.1.1, considera-se que para a aceleração
máxima:
(C.5)
(C.6)
(C.7)
Tendo em conta os parâmetros do ANEXO B:
(C.8)
(C.9)
(C.10)
C.3 Máxima travagem na roda dianteira
Segundo as equações 3.10 e 3.11 e a SECÇÃO 3.1.2, considera-se que para a condição de
máxima travagem na roda dianteira:
(C.11)
(C.12)
(C.13)
Tendo em conta os parâmetros do ANEXO B:
(C.14)
(C.15)
(C.16)
88
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
C.4 Máxima travagem na roda traseira
Segundo as equações 3.12 a 3.17 e a SECÇÃO 3.1.3 considera-se que para a condição de
máxima travagem na roda traseira:
(
)
(
)
(C.17)
(C.18)
(C.19)
(C.20)
Em que:

a é % de transferência de carga da roda traseira para a dianteira. (a=20%);

tcspt é a transferência de carga na posição estática (roda traseira);

tcspd é a transferência de carga na posição estática (roda dianteira).;
(C.21)
(C.22)

.
Tendo em conta os parâmetros do ANEXO B:
(C.23)
(C.24)
(
)
(
)
(C.25)
(C.26)
(C.27)
(C.28)
89
Anexo C – Cálculos de Forças Externas
____________________________________________________________________________________
C.5 Quando o motociclo está em curva
Segundo as equações 3.18 a 3.21 e a SECÇÃO 1.1.1, quando o motociclo está em curva,
considera-se que:
(C.29)
(C.30)
(C.31)
(C.32)
Tendo em conta os parâmetros do ANEXO B e os valores para as transferências de carga
calculadas anteriormente:
(C.33)
(C.34)
(C.35)
(C.36)
90
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
Anexo D Cálculo
de
aplicação
no
Forças
para
software
de
Elementos Finitos
D.1 Máxima travagem na roda dianteira
Tal como visto em 3.1, a solicitação onde ocorrem os maiores esforços no conjunto
dianteiro, é o caso da máxima travagem na roda dianteira. Seguidamente, serão calculados as
várias forças para posterior aplicação em Abaqus.
Figura D.1 - Esquema de forças travagem máxima na roda dianteira. Adaptado de (17)
Segundo a SECÇÃO 3.1.5 temos:
(D.1)
(D.2)
91
Anexo D – Cálculo de Forças para aplicação n software de Elementos Finitos
____________________________________________________________________________________
Seguidamente temos que calcular os esforços no eixo do pneu dianteiro:
Figura D.2 - Forças na roda dianteira. Adaptado de (17)
Da imagem anterior, podemos retirar que:
(D.3)
(D.4)
Procedendo a uma análise do conjunto dianteiro, temos o seguinte diagrama de corpo livre:
Figura D.3 - Esquema para cálculo de forças nos triple clamps
92
Helder Marques
Design de mesas de direção (Triple Clamps) para motociclos
____________________________________________________________________________________
∑
(D.5)
(D.6)
∑
(D.7)
(D.8)
Considerando os seguintes valores e as equações anteriores temos:

α= 24°

d= 734 mm

d1= 150 mm
(D.9)
(D.10)
93
Anexo D – Cálculo de Forças para aplicação n software de Elementos Finitos
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D.2 Impacto
Analisando a FIGURA 3.16 pode-se observar que para o caso apresentado a força de
contacto no pneu dianteiro passa de aproximadamente 1100 N para 3600 N, aumentando
cerca de 3,3 vezes. Portanto, para esta análise vai se considerado o seguinte:
(D.11)
Tendo em conta os valores calculados anteriormente temos:
(D.12)
Para este caso, será assumido que a força de impacto será totalmente suportada pelo triple
superior.
Figura D.4 - Esquema de forças para cálculo de força de impacto nos triples clamps
(D.13)
Considerando os valores apresentados anteriormente e no ANEXO B, temos:
(D.14)
Deste modo, a força a aplicar no triple clamp superior para esta situação de impacto será
de 6998,74 N.
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